Une nouvelle approche et un nouveau modèle rhéologique pour la modélisation du comportement hygro–thermo–mécanique du bois lors du processus de séchage sont proposés. Cette approche est basée sur la résolution des équations d’équilibre d’une poutre cantilever d’Euler–Bernoulli, sans faire aucune hypothèse sur le profil des contraintes dans l’épaisseur de la poutre. Un code numérique a été développé afin de prédire l’évolution des contraintes et des déformations d’une pièce de bois en flexion porte-à-faux à humidité constante ou variable. Ce code fut validé à partir d’un modèle rhéologique classique (modèle de Burger), où une solution analytique existe à humidité constante. Un nouveau modèle rhéologique global fut alors développé où sont pris en considération le retrait libre, la relation contrainte déformation instantanée (élastique), le fluage induit par le temps (fluage viscoélastique) et le fluage induit par la variation d’humidité (fluage mécanosorptif). La loi constitutive du modèle rhéologique est basée sur un comportement élasto-viscoplastique qui prend en considération l’apparition des gradients d’humidité dans le bois, l’effet du niveau de chargement ou de contrainte en introduisant un seuil de déformation plastique (non recouvrable), et aussi l’effet combiné de la charge et de la variation d’humidité en incluant le comportement mécanosorptif du bois au cours du séchage. Afin d’identifier les paramètres du modèle rhéologique, un dispositif expérimental de flexion en porte-à-faux a été mis en place. Des essais de fluage à 60°C à différents niveaux de charge, à différentes teneurs en humidité constantes, et au cours du séchage ont été réalisés sur le bois d’épinette blanche (Picea glauca (Moench.) Voss.) en direction radiale. Les propriétés élastique, viscoélastique, viscoplastique et mécanosorptive de l’espèce utilisée obtenues expérimentalement ont été reproduites par simulation. La correspondance satisfaisante obtenue entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux confirme la validité de l'approche et du modèle rhéologique proposés pour les conditions expérimentales considérées dans ce travail. / A new approach and rheological model for modeling the hygro-thermo-mechanical behaviour of wood during drying process are proposed. This approach is based on the resolution of equilibrium equations of Euler-Bernoulli cantilever beam without any assumption on stress distribution through the thickness. A numerical code was developed to predict stress and deformation evolution of wood cantilever at constant and variable moisture conditions. This code was validated using a classical rheological model (Burger model), where analytical solution exists at constant moisture content. A new global rheological model was therefore developed where free shrinkage, instantaneous stress-strain relationships, time induced creep (viscoelastic creep) and mechano-sorptive creep are taken into account. The constitutive law is based on an elasto-viscoplastic model that takes into account the moisture content gradient in wood, the effect of external load by introducing a viscoplastic deformation threshold (permanent strain), and also the combined effect of load and moisture content variation by adding the mechano-sorptive behavior of wood during drying. For the rheological model parameters identification, a cantilever experimental setup was used. Creep tests at 60°C, at different load levels, at different constant moisture contents, and during drying were carried out on white spruce wood (Picea glauca (Moench.) Voss.) in the radial direction. Thus, the elastic, viscoelastic, viscoplastic and mechano-sorptive properties obtained experimentally were reproduced by simulation. The good agreement between simulation and experimental results confirms the validity of the proposed numerical approach and the developed rheological model for the experimental conditions considered in this work.

Ce travail consiste à étudier l'effet des paramètres opératoires sur la microstructure de mousses structurales afin de déterminer leurs comportements mécaniques sous des contraintes de flexion. On propose aussi des corrélations pour quantifier ces effets. Pour se faire, un plan d'expérience a été utilisé dans le but d'investiguer l'effet de la concentration en agent gonflant, de la température du moule, de la température du fondu , de la pression d'injection et de la contre-pression sur l'épaisseur de peau, la taille des bulles, la distribution de la taille des bulles et la densité de la mousse. Une détermination des conditions d'opération optimales pour la production de ces mousses de haute qualité est aussi faite. Pour le comportement mécanique, un modèle a été développé pour déterminer les propriétés des mousses structurales symétriques et asymétriques en utilisant le profil de densité complet sur l'épaisseur. Il a été démontré que le module de flexion est une fonction de la direction de la charge appliquée. li est donc possible d'optimiser la structure pour des applications spécifiques.

L'objet de ce travail est de produire et de caractériser des composites à base de polyéthylène de très haut poids moléculaire (UHMWPE) et de fibres de bois. Tout d'abord, la préparation des échantillons renforcés avec de la poudre de bois provenant de sciure de bois obtenue d’une scierie s'est faite. Ce projet souligne l'utilisation des matières premières sous forme de poudre. Les échantillons sont préparés avec la technique du mélange à sec, avec un simple mélangeur, ensuite moulés par compression. Des teneurs en bois allant jusqu'à 30% en poids ont été employées à cette fin. L'étude de l'effet de la concentration de bois sur la morphologie, la densité, la dureté et sur les propriétés mécaniques (flexion, torsion et traction) est le moteur de cette recherche. On démontre que l'ajout de la farine de bois a augmenté significativement les modules (jusqu'à 97%). On montre aussi que l’adhésion et la dispersion des fibres de bois au sein de la matrice étaient bonnes et que l'ajout du bois améliore considérablement les caractéristiques mécaniques de ces composites. / The aim of this study was to produce and characterize composites made from wood flour and Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). Firstly, the composites were initially prepared with wood sawdust provided from a sawmill and this study highlights particularly the use of raw materials in a powder form. Composites were prepared by a simple dry mixing technique and then compression molded. The wood content was up to 30%wt. The effect of wood content on morphology, density, hardness, and mechanical properties (tensile, torsion and flexion) was investigated. The results show that wood flour addition increased substantially all the moduli (up to 97%). The results show also that good dispersion and adhesion were achieved and wood flour addition increased significantly the mechanical properties of the composites.

Contrainte par la réduction des seuils d’émissions autorisés, l'industrie automobile est devenue plus respectueuse de l’environnement et des utilisateurs. Le "downsizing" des moteurs à combustion interne permet de limiter la masse des véhicules mais implique des cycles de combustion aux rendements améliorés et des niveaux de contraintes thermomécaniques plus importants. La pièce la plus sollicitée est la culasse réalisée en alliage Al-Si hypoeutectique. Les défis que cela engage sont doubles : permettre des températures de fonctionnement plus élevées et conserver des propriétés mécaniques optimales. Ces pièces sont traitées thermiquement par une séquence de : mise en solution, trempe et revenu afin d'optimiser le durcissement structural et de limiter le vieillissement en service de l'alliage par la création d'une distribution fine et homogène de nano-précipités dans les phases α pro-eutectique et eutectique. Durant la trempe, des gradients thermiques importants, résultant de vitesses de refroidissement différentes à l’intérieur de la pièce, peuvent provoquer des distorsions et réduire la résistance mécanique effective des pièces en raison de l'apparition de contraintes résiduelles. L’objectif de ce projet doctoral a été de comprendre et de caractériser l’effet de la vitesse de trempe ainsi que du revenu sur la cinétique de précipitation pour limiter l’impact des contraintes résiduelles et maintenir le potentiel durcissant sur quatre nuances industrielles. Les échantillons ont été coulés au centre de R&D Montupet par gravité à la louche dans une coquille thermo-régulée calibrée. Les échantillons comportent un SDAS compris entre 15 et 25μm, représentatif de celui en face feu des culasses automobiles. Chaque nuance a été au préalable caractérisée selon leur état métallurgique puis, dans un second temps, par simulations numériques afin de confronter les résultats et valider l’efficacité de la séquence de traitement thermique appliquée (métallographie, MEB, EDS, microsonde, ICP, fours tubulaires, DSC, essais de traction et simulations ThermoCalc, Dictra et MatCalc). Le projet s’organise selon trois volets principaux portant respectivement sur l’opération de trempe, la cinétique de précipitation associée à l’évaluation des mobilités interfaciales de précipités et la validation des lois de comportement issues d’essais mécaniques selon les conditions de revenu appliquées. / Constrained by the reduction of authorized emission thresholds, the automotive industry has become more respectful of the environment and users. The downsizing of internal combustion engines makes it possible to limit the mass of vehicles but involves combustion cycles with improved efficiency and higher levels of thermomechanical stresses. The most affected part is the cylinder head made of hypoeutectic Al-Si alloy. The challenges that this entails are two fold : allowing higher operating temperatures and maintaining optimal mechanical properties. These parts are heat treated by a solutionizing, quenching and aging steps in order to optimize the structural hardening and to limit aging during the use of the alloy by creating a fine and homogeneous distribution of nano-precipitates in the α pro-eutectic and eutectic phases. During quenching, important thermal gradients, resulting from different cooling rates inside the part, can cause distortions and reduce the effective mechanical strength of the parts due to the occurrence of residual stresses. The objective of this PhD project was to understand and characterize the effect of quench rate and aging on precipitation kinetics in order to limit the impact of residual stresses and maintain the hardening potential in four industrial alloys. The samples were castat the Montupet R&D center by gravity die casting into calibrated thermo-regulated die. The samples have aSDAS comprised between 15 and 25μm, representative of the one for fire deck surface of automobile cylinder heads. Each nuance was initially characterized according to their metallurgical state then, in a second step, by numerical simulations in order to compare the results and validate the efficiency of the applied heat treatment sequence (metallography, SEM, EDS, microprobe, ICP, tubular furnaces, DSC, tensile tests and ThermoCalc, Dictra and MatCalc simulations). The project is organized into three main sections dealing respectively with the quenching operation, the kinetics of precipitation associated with the evaluation of the interfacial mobilities of precipitates and the validation of thematerial behavior laws resulting from mechanical tests according to the applied aging conditions.

Dans la majorité des agences de transports, il est commun de restreindre la distribution de la taille des grains des MG 20 par l'utilisation de fuseaux granulométriques. Pourtant, des variations de la performance allant de subtiles à très marquées peuvent être mesurées à l'intérieur d'un même fuseau granulaire. Ceci est vrai malgré le fait que certains fuseaux sont relativement serrés, comme c'est le cas entre autres au Québec, particulièrement en termes de pourcentage de particules fines, pour contrer les effets du gel. Il semble donc nécessaire d'arriver à mieux comprendre et expliquer l'influence des modifications granulométriques sur diverses qualités que doivent présenter les MG 20. Cette thèse présente donc la synthèse d'une étude détaillée en laboratoire analysant l'effet de la granulométrie sur la performance globale des MG 20, quantifiée par la sensibilité aux contraintes mécaniques et environnementales. En caractérisant le comportement mécanique, hydrique et thermique de six courbes granulométriques de formes variées, il a été possible d'identifier les principaux indicateurs, directement ou indirectement reliés à la granulométrie, en lien avec divers types de performance des MG 20 pour trois sources de granulats typiquement retrouvées au Québec. Les résultats montrent que la sensibilité aux contraintes environnementales peut être globalement décrite par un paramètre lié à la volumétrie des particules fines et que la sensibilité aux contraintes mécaniques est reliée à divers indicateurs granulométriques liés à diverses fractions granulométriques. Afin d'arriver à proposer des matériaux ayant un comportement global bonifié pour divers contextes de performance, il a été suggéré de subdiviser la plage de variation maximale de chaque paramètre de performance en quatre niveaux de performance. Ceci permet, pour des contextes de performance typiques au Québec et leurs principaux mécanismes de dégradation associés, de suggérer des zones granulométriques relativement continues et définissant des matériaux ayant un comportement optimisé pour ces divers contextes. Cette approche offre une latitude nécessaire permettant de prendre en compte les diverses caractéristiques souhaitables des MG 20, pour les divers paramètres de performance, qui sont souvent complémentaires.

Un des aspects les plus importants pour la conception et le dimensionnement des chaussées est le module élastique ou réversible (MR) qui permet de caractériser le comportement mécanique des matériaux nécessaire pour le dimensionnement d'une chaussée (AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officiais 1986). Le module de chacune des couches associé à son épaisseur permet de définir une structure dite multicouche pour laquelle il est possible de modéliser le comportement contrainte-déformation sous charge. Par contre, en considérant la complexité de l'essai de MR et le coût des équipements requis pour le mesurer, le développement de méthodes d'estimation simples, précises et spécifiques au matériau considéré faciliterait la mise en application d'outils de conception mécanistes-empiriques au Canada. Ce projet a donc comme objectif le développement d'un modèle d'estimation du MR des matériaux granulaires de chaussées adaptés aux matériaux du canadiens. La valeur du MR dépend d'un grand nombre de paramètres. Cette approche de prédiction considère des variables liées à la teneur en eau, la granulométrie et la densité des matériaux granulaires pour l'estimation des constantes C₁ et C₂ du modèle linéaire MR = cls[thêta] + c2s + [delta]MR. Un total de 25 matériaux granulaires de différentes régions de Canada a été considéré pour le développement de ce modèle. En conclusion ce modèle d'estimation du MR des matériaux granulaires fournit une première approximation statistiquement significative en comparaison aux approximations utilisées actuellement au Québec. De plus, il est possible de trouver le MR à n'importe quel degré de saturation, avec l'inclusion du [delta]MR dans l'équation du MR. Ce modèle de prédiction est une approximation très intéressante et simple, puisque dans le but de trouver la valeur du MR, il permet d'éviter la réalisation d'un essai triaxial cyclique complexe et coûteux en ne réalisant que des essais standards.

La compagnie Les Forges de Sorel est un acteur important dans le domaine de la production de pièces d'acier forgées de forte dimension destinées au secteur du moulage par injection de matière plastique. Le potentiel de trempe des aciers actuellement utilisés n'étant plus assez grand pour combler les exigences grandissantes de l'industrie du moulage, le développement de nouveaux alliages avec une trempabilité améliorée s'est imposé. Pour le présent projet, un ajout de vanadium jusqu'à 0,35% poids à l'acier SF2050 a permis d'améliorer la trempabilité de façon à pouvoir augmenter section carrée d'une pièce forgée jusqu'à 88% et ainsi atteindre une section de 2,35m2 (3643p02). De plus, l'ajout de vanadium à permis d'améliorer la résistance à l'impact de l'acier, d'augmenter la limite élastique de 25% jusqu'à 1000MPa et d'accroître la dureté lors du revenu de 24%. Par ailleurs, une étude préliminaire sur l'effet d'une addition de 38ppm de bore sur la trempabilité de l'acier SF2050 à permis d'augmenter la section carré d'une pièce forgée de 400%. La section carrée d'une pièce forgée peut ainsi atteindre 6,27m2 (9714po2). Finalement, l'ajout de 0,15% poids de vanadium à la nuance SF2000 permet de remplacer l'effet de 0,5% poids de nickel et ainsi d'atteindre le niveau de trempabilité de l'acier SF2050.

Dans ce travail, le comportement à la corrosion et les propriétés mécaniques de trois alliages de magnésium résistants au fluage, AXJ530, MRI 153 et ZAEX10430, ont été évalués en fonction de la microstructure. Ces alliages ont été obtenus par trois approches différentes : (1) moulage sous pression à partir de l'état liquide ; (2) moulage sous pression à l'état semi-solide, à partir de billettes coulées en moule permanent avec brassage électromagnétique ; et (3) sans brassage. En outre, les propriétés de ces alliages ont été comparées à celles de l'alliage conventionnel AZ91D. Le comportement à la corrosion a été étudié dans trois milieux différents, à savoir un milieu alcalin à faible salinité, un milieu neutre à faible salinité et un milieu neutre à forte salinité. Ces études ont été réalisées essentiellement à l'aide des techniques de polarisation potentio-dynamique et de spectroscopie d'impédance. Quelques essais ont également été menés avec les techniques du bruit électrochimique et du SRET (Scanning Référence Electrode Technique). Les alliages AXJ530, MRI 153 et ZAEX 10430 se sont montrés passifs dans la solution alcaline, contrairement à l'alliage AZ91D. Dans les solutions neutres, tous les alliages ont été sujets à la corrosion générale. Cependant, les alliages AZ91D et MRI 153 ont montré une résistance à la corrosion supérieure à celle affichée par les alliages AXJ530 et ZAEX 10430. En outre, les alliages moulés à partir de l'état semi-solide ont montré une meilleure résistance à la corrosion par rapport à ceux moulés à partir de l'état liquide, mis à part l'alliage ZAEX10430. D'autre part, nos travaux ont montré que la limite d'élasticité et la résistance maximale des alliages AXJ530 et MRI 153 sont similaires et ne semblent pas dépendre du procédé de moulage. Cependant, il est à noter que l'alliage ZAEX10430 a montré une meilleure limite d'élasticité mais une résistance à l'impact inférieure par rapport à celles des deux autres alliages. De plus, les trois alliages étudiés ont montré, d'une façon significative, une meilleure résistance au fluage par rapport à l'alliage AZ91D. L'alliage AXJ530 a montré la meilleure résistance au fluage suivi du ZAEX10430 et finalement du MRI 153. Le procédé de moulage ne semble pas exercer un effet marqué sur la résistance au fluage des alliages AXJ530 et MRI 153. Cependant pour l'alliage ZAEX10430, il a été observé que le taux de fluage dépendait du procédé de moulage. / In this thesis, the corrosion behaviour and the mechanical properties of the creep-resistant AXJ530, MRI 153 and ZAEX10430 magnesium alloys were evaluated and compared. The studied alloys were produced by three different methods in order to obtain different microstructures: (1) die-cast from remelted billets, (2) thixocast from billets electromagnetically-stirred during solidification, and (3) from thixocast from billets that were freely solidified in a steel mould. The conventional AZ91D magnesium alloy was considered as a reference alloy. The corrosion behaviour was studied in three media: a low salinity alkaline medium, a low salinity neutral medium and a high salinity neutral medium. Corrosion studies were carried out using potentio-dynamic polarization technique and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Furthermore, some analyses were performed using electrochemical noise and scanning reference electrode technique (SRET). The AXJ530, MRI 153 and ZAEX 10430 alloys were found to be passive in the alkaline solution, contrary to AZ91D alloy. In the two neutral solutions, ail the studied magnesium alloys were prone to general corrosion attack. However, AZ91D and MRI 153 showed better corrosion resistance than AXJ530 and ZAEX10430. Besides, except for ZAEX10430, thixocast alloys were found to be more corrosion resistant than die-cast ones. The tensile strength and impact resistance of AXJ530, MRI 153 and AZ91D alloys were found to be quite similar, while the ZAEX 10430 specimens showed superior strength but reduced ductility and impact strength. On the other hand, the studied magnesium alloys exhibited significantly improved creep behaviour as compared to that of AZ91D alloy. AXJ530 alloy showed the best creep resistance (based on creep strain and minimum creep rates) followed by ZAEX10430 and MRI 153 alloys. The creep behaviour of AXJ530 and MRI 153 were independent of the casting technique, while the minimum creep rate of ZAEX 10430 specimens was found to be influenced by the casting technique.

L’objectif principal de cette thèse a été d’élargir les connaissances sur l’influence de la structure du bois sur ses propriétés physico-mécaniques. Huit espèces feuillues, trois tempérées et cinq tropicales, ont été étudiées dans le but d’avoir une plus grande diversité des caractéristiques anatomiques. Deux techniques expérimentales (solutions salines saturées et membrane poreuse sous pression) ont été utilisées pour la réalisation des essais de sorption à 25ºC. Celles-ci ont été couplées avec des tests de propriétés physiques et mécaniques du bois. Des analyses de résonance magnétique nucléaire (RMN) ont été réalisées dans le but de dissocier les différents types d’eau durant la désorption d’humidité. Les caractéristiques de la structure du bois ont été déterminées par des essais d’anatomie quantitative et de porosimétrie au mercure (PM). Le présent travail a montré qu’à l’équilibre de sorption, le retrait du bois a commencé avant que le point de saturation des fibres (PSF) soit atteint. Les changements de résistance mécanique en compression tangentielle ont aussi débutés avant le PSF. Ces résultats indiquent que la perte de l’eau liée a lieu en présence de l’eau liquide; cette dernière resterait principalement dans les éléments les moins perméables du bois, soit les rayons ligneux. L’humidité d’équilibre à laquelle débute la perte de l’eau liée a varié largement selon l’espèce de bois et a donc été influencée par la structure du bois. Des analyses de RMN ont confirmé que, même à l’équilibre, l’eau liquide est présente à des humidités bien en-dessous du PSF. Les résultats de RMN ont donc corroboré l’hypothèse selon laquelle, en condition d’équilibre d’humidité, il existe un domaine d’humidité où la perte de l’eau liée a lieu en présence de l’eau liquide. À hautes teneurs en humidité d’équilibre, les courbes de désorption ont largement varié selon les espèces étudiées. Les résultats d’anatomie quantitative et de PM se sont montrés utiles à la compréhension de l’influence de la structure du bois sur les relations eau-bois. D’autre part, les propriétés dimensionnelles du bois ont largement varié selon les espèces. Les espèces tempérées ont eu un retrait plus élevé que les espèces tropicales à une masse volumique comparable. Finalement, la présente thèse fournit des informations sur des aspects fondamentaux des relations eau-bois, lesquelles se révèlent très importantes pour une meilleure utilisation de ce matériau. / The main objective of this work is to improve the knowledge of the influence of the wood structure on its physical and mechanical properties. Three temperate and five tropical hardwoods were studied in order to have a high diversity of anatomical properties. Two experimental techniques (saturated salt solutions and pressure membrane method) were used to perform moisture sorption tests at 25ºC. These sorption tests were combined with physical and mechanical property measurements. The nuclear magnetic resonance (NMR) technique was used in order to separate different components of water in wood during desorption. The porous structure of these hardwoods was characterized by mercury intrusion porosimetry (MIP) and by quantitative anatomical analyses. The results showed that at equilibrium moisture content, radial, tangential and volumetric shrinkage, as well as changes in transverse strength, occur above the fiber saturation point (FSP). This result indicates that the loss of bound water takes place in the presence of liquid water. This remaining liquid water would be entrapped on the least permeable tissue elements (ray parenchyma). The initial equilibrium moisture content (EMC) at which bound water starts to be removed varied largely among wood species. The NMR results confirmed that, even at equilibrated conditions, a region exists where the loss of liquid water and bound water take place simultaneously. This region will vary according to the wood structure. Liquid water was present at EMC values lower than the fiber saturation point, which contradicts the concept of this point. At higher values of relative humidity the desorption curves largely varied among species. Quantitative anatomical and MIP results were useful to a better comprehension of the influence of wood structure on the wood - water relationships. Concerning the dimensional properties, a large variation of the shrinkage values was observed among the species studied. Temperate species had larger shrinkage values and the basic density was not correlated with shrinkage when temperate and tropical values were analyzed together. Finally, the present work gives information about fundamental aspects of wood – water relationships, which are important for a better utilization of this material.

La problématique rencontrée lors du mélange bois-plastique résulte de la nature des constituants, le plastique étant un matériau non-polaire et hydrophobe par opposition au bois, un matériau polaire et hydrophile. Ce projet de recherche mené en collaboration avec Mafor inc., vise à mieux comprendre le comportement physico-mécanique d’un composite chêne-polypropylène fabriqué suivant une plage étendue des concentrations en bois (30% à 70%) et en agent liant (0% à 4% de polypropylène maléaté par rapport au poids du bois). En l’absence d’un liant, les travaux réalisés ont montré que l’ajout de bois dans la matrice de plastique affaiblit globalement les propriétés physico-mécaniques du composite bois-plastique. En présence d’un liant utilisé en faible concentration (2%), les résultats montrent une forte augmentation relative des modules de rupture en flexion (162%) et en tension (107%) pour un composite contenant 65 % de bois. Dans ce cas, on observe également une réduction de l’absorption d’eau de 45% pour ce composite évalué sur une période de 28 jours de trempage. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019