La thèse est consacrée à la caractérisation mécanique des films minces à l'aide de mesures de déplacements par voie optique et traitements numériques. Les domaines d'études sont d'une part les contraintes résiduelles et d'autre part l'essai de traction. Les moyens de mesure employés sont la projection de franges et la photographie numérique de speckle.<br /><br />La projection de franges permet de mesurer la carte des déplacement hors-plan. Elle est adaptée à la mesure des contraintes résiduelles dans les films minces par analyses de courbure et/ou essais de gonflement. On montre suite à trois études expérimentales :<br />1. la précaution à prendre dans l'utilisation de la formule de Stoney même pour des bicouches libre-libre (SiO2/Si) ;<br />2. la présence de flambage dans les membranes bicouches comprimées encastré-encastré (SiO2/Si) ;<br />3. un parfait accord entre essais de gonflement et essais de nano-indentation pour des films tendus (polimiide).<br /><br />La photographie numérique de speckle permet de mesurer la carte des déplacements dans le plan. Elle est adaptée avec succès à un banc d'essais de traction conçu durant la thèse et spécialement dédié aux films minces. Un algorithme original de calcul a été développé pour obtenir une résolution subpixel. Les performances de l'algorithme sont comparées par des simulations et des expériences aux algorithmes classiques de corrélation. Sa rapidité et sa haute résolution permettent de calculer les cartes de déplacements en temps réel. Les déformations dans le plan en sont déduites et permettent le tracé des courbes contrainte/déformation puis le calcul du module d'Young E et du coefficient de Poisson v. Les matériaux choisis pour valider le banc d'essai sont le cuivre électrodéposé, matériaux ductile, puis le silicium monocristallin, matériaux fragile.

En exploration pétrolière, la technique d'imagerie la plus couramment utilisée reste l'imagerie par sismique réflexion. Elle permet d'obtenir une première représentation des structures géologiques mais aussi une estimation du coefficient de réflexion des interfaces du sous-sol. Les variations de ce coefficient dépendent des paramètres pétrophysiques des milieux situés de part et d'autre de la discontinuité donnant naissance à la réflexion (densité et vitesses des ondes de propagation et de cisaillement). Une analyse de ces variations permet ainsi d'évaluer les paramètres élastiques qui sont des données indispensables et complémentaires à l'interprétation des réservoirs. Les traitements classiques consistent à étudier ces variations directement sur des données enregistrées en fonction du déport et du temps de propagation. L'analyse s'effectue par inversion d'une approximation linéaire des équations de Zoeppritz régissant les variations théoriques de l'amplitude. Nous proposons ici d'étudier les variations de l'amplitude après la phase d'imagerie, directement dans le domaine profondeur. Pour réaliser cette analyse, nous proposons un traitement spécifique après l'imagerie et avant l'analyse de l'amplitude pour corriger les impacts liés à la qualité du modèle de vitesse, à l'interférence des ondelettes entre deux réflexions proches et à l'étirement de l'ondelette. Ce traitement a aussi permis l'obtention d'un squelette du sous-sol conduisant à une première interprétation en profondeur des réflecteurs majeurs.

Les piles à combustible Solid Oxide Fuel Cell sont des systèmes de production d'électricité. Une cellule élémentaire est un multicouche constitué de matériaux céramiques et de métal. Elles sont très sensibles aux contraintes mécaniques générées lors des cycles thermiques et d'oxydo-réduction, limitant leur durée de vie.Ce travail a porté sur la détermination expérimentale des contraintes résiduelles dans des cellules SOFC à anode support en fonction des sollicitations du système. Parallèlement à des mesures in-situ en température, une approche multi-échelles a été développée pour évaluer les hétérogénéités de contraintes dans l'électrolyte liées à la forte anisotropie élastique de la zircone yttriée qui le constitue. Différentes techniques ont été mise en œuvre afin de couvrir les 3 ordres de contraintes. Les mesures à l'échelle macroscopique ont été effectuées par diffraction de rayons X de laboratoire (méthode des sin²(Ψ)). La microdiffraction de rayonnement synchrotron en mode faisceau blanc et monochromatique a permis, après un important travail d'amélioration du protocole de mesure et d'analyse, de déterminer les tenseurs complets de contraintes et déformations grain à grain dans l'électrolyte. Les déformations intra-granulaires ont été évaluées par une technique d'EBSD.Les résultats obtenus ont permis d'analyser les mécanismes principaux qui régissent les évolutions de contraintes dans l'électrolyte. Des hétérogénéités de contraintes entre grains liées à leurs orientations cristallographiques ont été mises en évidence. Au-delà du problème des SOFC, les techniques mises en œuvre ouvrent la voie aux validations expérimentales des modèles mécaniques poly-cristallins.

L'objectif de l'étude consiste en l'établissement d'une modélisation prédictive du procédé avec des temps de calcul acceptables en vue d'optimiser le procédé vis-à-vis de la tenue mécanique de l'assemblage soudé. Le modèle mis en place est constitué de deux étapes sucessives.<br /><br />Lors de la première étape, un calcul stationnaire thermohydrodynamique couplé permet d'obtenir le champ de température et l'écoulement de matière autour de l'outil. Pour cela, un comportement purement visqueux est adopté et la zone de contact outil-matière est modélisée par des conditions de glissement. Des données expérimentales obtenues par thermographie infrarouge ont permis de fixer deux paramètres de ce modèle.<br /><br />La seconde étape du modèle s'appuie sur un comportement élastoviscoplastique pour déterminer l'état mécanique résiduel d'un assemblage. Pour cela, l'écoulement de matière permet de suivre l'histoire de chaque particule, en particulier lors de leur passage autour de l'outil. Le champ de température permet de quantifier la dissolution des précipités durcissants au sein de l'alliage et de tenir compte de la variation avec la température des paramètres de la loi de comportement adoptée. En outre, la fraction de précipités dissous est reliée à la limite d'élasticité du matériau. Une méthode de calcul stationnaire est utilisée pour obtenir directement l'état stationnaire des variables mécaniques.<br /><br />Les résultats obtenus sont en accord avec des profils de contraintes résiduelles publiés dans la littérature. De plus, l'influence de la vitesse de soudage et de la vitesse de rotation de l'outil a été étudiée au regard des contraintes résiduelles simulées.

L'objectif de cette étude est d'analyser le gradient des contraintes résiduelles induites par le traitement de choc laser (CL) sur 2 alliages d'aluminium (6056-T4 et 2050-T8) par la diffraction des rayons X (DRX) et par modélisation numérique en éléments finis, en portant une attention particulière à l'extrême surface du matériau. Pour étudier le gradient des contraintes résiduelles (CR) à l'extrême surface (moins de 10 μm), deux méthodes d'analyse par DRX en faible incidence (sin²ψ* et multi-réflexions) ont été adaptées et appliquées. Les deux méthodes ont été testées avec succès et ont permis pour la premières fois, d'accéder aux états mécaniques proches de la surface après CL. Un modèle de simulation numérique en 3D de l'état mécanique induit par choc-laser a également été développé au cours de cette étude. L'utilisation de chargements P=f(t) valides et de conditions aux limites réalistes (élément infinis en bord de massif) a permis d'estimer les déformations et les contraintes résiduelles introduites par un ou par plusieurs impacts laser. Différentes améliorations ont pu être apportées au modèle, comme la prise en compte de comportements distincts pour les couches superficielles, et le matériau à cœur. Le modèle a été appliqué à différentes conditions expérimentales (taux de recouvrement, diamètre d'impact et pression variables) et a pu être confronté avec succès en expérience, que ce soit pour la simulation de mono-impact laser ou pour la simulation de multi-impacts. L'approche numérique nous a également permis d'évaluer l'hétérogénéité de la distribution de contraintes résiduelles en surface du matériau.

On a souvent recours à des assemblages métal-céramique pour des systèmes complexes couplant les propriétés, souvent opposées, des alliages métalliques et des céramiques. Les besoins industriels pour de hautes températures d'utilisation, en milieu corrosifs, restent toujours difficiles à satisfaire de façon fiable. Deux céramiques techniques industrielles ont été retenues pour cette étude : le carbure de silicium SiC et l'alumine Al2O3. Elles ont été assemblées à un superalliage de Nickel réfractaire (HAYNES™214®), selon le procédé de thermo-compression sous vide, par l'intermédiaire d'un joint métallique de faible épaisseur. La forte réactivité du SiC avec le nickel a conduit à rechercher une barrière de diffusion entre l'alliage et la céramique. Un joint d'argent ne formant aucun siliciure a permis d'éviter cette réactivité et a conduit ainsi à des tenues mécaniques en cisaillement significatives (45 MPa). Pour l'alumine (Al2O3), nous nous sommes orientés vers l'utilisation de joints de nickel, peu réactif avec cet oxyde. Cependant la différence de coefficient de dilatation thermique entre la céramique (Al2O3) et les métaux (Ni et HAYNES™214®) conduit à de fortes concentrations de contraintes résiduelles à l'interface. Une simulation par éléments finis, en utilisant le code ABAQUS, a permis de localiser le champ de contraintes résiduelles dans ce type d'assemblage. Une comparaison entre un calcul élasto-plastique et un calcul élasto-visco-plastique a été réalisée. La distribution des contraintes est sensible à l'épaisseur du joint de nickel ainsi qu'aux dimensions et formes respectives de l'alliage et de la céramique. Il a ainsi été montré que le calcul élasto-visco-plastique est indispensable pour caractériser la liaison Al2O3/Ni/HAYNES™214®, contrairement à des liaisons Al2O3/Ni/Al2O3 étudiées plus classiquement. De plus, les contraintes de tension dans la céramique sont beaucoup plus importantes pour l'assemblage alumine/alliage métallique que pour l'assemblage alumine/alumine. Ceci est retrouvé expérimentalement par les résultats de caractérisation mécanique (cisaillement, délamination) de ces deux types d'assemblage et par des mesures expérimentales de contraintes résiduelles par indentation et par diffraction des rayons X. La fragilisation de l'alumine près de l'interface est un phénomène connu dû essentiellement à la diffusion du métal de liaison et au frottement entre le joint métallique et l'alumine. Une corrélation entre la ténacité, l'intensité des contraintes résiduelles et le piégeage de charges électriques a été montrée. Enfin, l'étude de joints multicouches Cu-Ni-Cu a permis d'accommoder les contraintes et d'améliorer la résistance de l'assemblage Alumine/HAYNES™214®. De plus, la préoxydation des joints de cuivre côté alumine, reproduisant ainsi la méthode de l'eutectique, ouvre une voie quant à une utilisation des assemblages pour de hautes températures (> 1200 °C) et l'industrialisation du procédé pour de grandes séries.

La modélisation des défauts de planéité apparaissant en ligne en laminage à froid des tôles minces est abordée comme un problème de flambage de tôles minces sous contraintes résiduelles. Celles-ci sont les contraintes engendrées au-delà de l'emprise par le laminage lui-même. Pour cela, un modèle de flambage et post-flambage de tôle (forme, amplitude, contraintes) fondé sur la méthode multi-échelle de Damil et Potier-Ferry, et nommé MSBM pour Multi-Scale Based Method, a été développé. En entrée, on y introduit une carte de contraintes post-emprise venant d'un calcul de laminage. Les hypothèses simplificatrices du modèle de flambement permettent de ramener sa résolution à un ensemble de problèmes éléments finis 1D, mais de ce fait restreignent l'analyse aux défauts de type bord long ou centre long. Dans sa version découplée, ce modèle a été comparé avec succès à des résultats de la littérature. Il permet d'effectuer des études paramétriques d'intérêt pratique, comme l'influence du frottement ou de la force de contre-flexion des cylindres sur l'état de contrainte et la géométrie de la tôle.Dans un second temps, ce modèle est introduit comme modèle de flambage intégré dans le logiciel éléments finis de laminage Lam3/Tec3. Comme dans le modèle précédent implémenté par Abdelkhalek en 2010, MSBM calcule un champ de déformation lié spécifiquement aux déplacements hors-plan caractérisant le flambage, champ de déformation qui est ajouté à la décomposition élastique - plastique et réactualisé à chaque itération du calcul éléments finis. Des comparaisons ont été effectuées avec les deux modèles couplés précédemment implantés par Abdelkhalek. Elles montrent les insuffisances du présent modèle de flambage, unidirectionnel, qui ne permet pas de traiter toutes ensemble les diverses instabilités, d'orientations différentes, qui ont lieu après la sortie d'emprise et se révèlent fortement couplées entre elles. Des pistes d'amélioration sont proposées en conséquence.

Les études sur les procédés de soudage et sur la fiabilité des structures assemblées apparaissent actuellement comme un domaine de recherche actif, ouvert et complexe, car elles nécessitent de combiner de nombreuses connaissances dans différents domaines de la physique, de la mécanique et des procédés. La distribution des contraintes résiduelles joue un rôle important dans la vie des structures en favorisant la rupture par fatigue ou par fissuration. Ainsi, une meilleure compréhension des contraintes résiduelles évite l'utilisation de facteurs de sécurité plus élevés et, par conséquent permet de mieux optimiser le cycle de vie des structures soudées. A travers ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au soudage par laser d'un acier dual phase DP600, soudé en configuration par recouvrement, dont l'application est l'utilisation dans le domaine automobile. Cette thèse présente deux volets : un volet expérimental et un volet numérique.L'étude expérimentale nous a permis d'une part d'appréhender les conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé laser sur l'acier DP600 et d'autre part d'utiliser et de valider les résultats numériques des modèles développés. L'étude numérique a eu pour objectif de prédire l'histoire thermique, métallurgique et l'évolution des caractéristiques mécaniques des tôles soudées par faisceau laser. Nous avons développé, sur un code de calcul par élémentsfinis Abaqus, trois modèles numériques. Le modèle thermomécanique, nous a permis de simuler la distribution spatio-temporelle de la température. Dans ce cas, le chargement appliqué est dépendant des paramètres du procédé etdes caractéristiques du faisceau laser et est associé à des conditions aux limites. Pour le modèle mécanique, nous avonsconsidéré un comportement élasto-plastique avec un chargement thermique transitoire, résultat du modèle thermique.Le deuxième modèle thermo-métallurgique nous a permis de simuler les phénomènes d'austénisation pendant la phase de chauffage (modèle de Waeckel) et de prendre en compte les fractions volumiques des phases martensitiques générées par les transformations de phases austénite-martensite lors du refroidissement (modèle de Koistinen-Marburger). Enfin, dans la dernière partie de simulation, nous avons réalisé le couplage thermo-metallo-mécanique. Les résultats obtenus dans la partie précédente, ont été implémentés dans deux modèles mécaniques : le modèle mécanique classique et le modèle mécanique avec prise en compte de la déformation liée aux effets de dilatation métallurgique. Cet effet a été intégré à travers le coefficient de dilatation thermique des phases ferritiques et martensitiques et des fractions volumiques obtenues à partir du modèle thermo-métallurgique. Les résultats ont montré que la répartition des contraintes résiduelles dans la zone de fusion et dans la zone affectée thermiquement sous l'effet de la déformation thermo-métallurgique donne des valeurs supérieures à celles estimées par le modèle élasto-plastique classique.

Le thixoforgeage est un procédé de mise en forme innovant permettant l'élaborationde pièces complexes à l'état semi-solide. Il nécessite moins d'opérations et des efforts plusfaibles que les autres procédés de mise en forme plus classiques. L'objectif de ce travail et decaractériser la microstructure de plusieurs nuances d'acier à chaque étape du procédé afin demieux comprendre l'influence des différents paramètres et mécanismes de déformation, car lamicrostructure à l'état semi-solide, et en particulier la fraction de liquide, est très importante.Plusieurs techniques 2D et 3D (analyses MEB-EDS, CSLM, microtomographie X) ont étéutilisées pour évaluer la fraction de liquide des aciers étudiés (M2, C38LTT et 100Cr6). Lesrésultats obtenus pour l'acier M2 montrent une bonne corrélation entre les observations 2DMEB-EDS et les analyses 3D en microtomographie après trempe, ce qui indique que ces deuxtechniques sont très efficaces pour caractériser l'état semi-solide des aciers fortement alliés. Lemicroscope CSLM est utilisé quant à lui pour observer directement l'état semi-solide à hautetempérature : apparition du liquide, processus de solidification etc. Des essais de thixoforgeageont ensuite été réalisés pour étudier l'influence des différents paramètres du procédé sur lamicrostructure, la géométrie finale des pièces, les écoulements de matière etc. Après avoiranalysé la microstructure des pièces thixoforgées, des mécanismes permettant d'expliquer lesécoulements de matière sont proposés. Qui plus est, la comparaison avec la simulation duprocédé de forgeage à chaud montre que ces écoulements sont très différents, ce qui est dû aucomportement du matériau. Ce dernier est très sensible aux paramètres du procédé : il estdonc nécessaire de bien maîtriser et contrôler toutes les étapes lors de la mise en forme.

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le contexte de l’identification de l’influence des paramètres de coupe et géométries d’outil sur l’usinabilité de l’alliage de titane Ti-6Al-4V sous deux états cristallographiques : alpha\beta et beta et s’insèrent dans le projet TiMaS, en partenariat avec Airbus et Figeac Aéro. La première partie consiste donc en une identification des différents critères d’usinabilité considérés dans la bibliographie pour l’usinage des titanes et la modélisation des actions thermomécaniques régissant la coupe. Dans une deuxième partie, l’usinabilité des deux matériaux a été étudiée pour deux outils coupants, utilisés par les industriels, constituant ainsi nos deux couples outil matière. Aussi, suivant la démarche du Couple Outil-Matière (COM) un espace de fonctionnement des conditions de coupe a été défini pour les deux couples considérés, afin de déterminer les paramètres de coupe garantissant une amélioration de la productivité. Les efforts de coupe, ainsi que la durée de vie des outils ont de ce fait été sélectionnés comme critère d’usinabilité. Egalement, l’observation de la morphologie des copeaux et de leur état de déformation a permis de voir les singularités de comportement existantes entre les deux microstructures. Ces singularités ayant un impact sur la géométrie même du copeau et les actions thermomécaniques exercées par ce dernier sur les outils coupants, dans la troisième partie, des essais de coupe orthogonale (pour les deux matériaux) ont été effectués afin d’évaluer l’impact des géométries d’outil, des conditions de coupe et de la microstructure du matériau sur la thermomécanique de la coupe et les longueurs de contact entre la face de coupe des outils coupant et le copeau. La visualisation de l’écoulement du copeau par caméras rapides a permis de constater une certaine variabilité des longueurs de contact, influencée en partie par les paramètres de coupe et majoritairement par l’état cristallographique du matériau. L’analyse EDX des faces de coupe des outils coupant a montré que cette variabilité a une influence marquée sur l’usure en diffusion des plaquettes. Enfin, dans une dernière partie, un dernier critère d’usinabilité est étudié, reposant sur l’analyse des contraintes résiduelles générées par la coupe en surface de la pièce usinée. En se basant sur les essais de coupe orthogonale réalisés dans la partie précédente, une modélisation numérique basée sur un couplage thermomécanique faible a été développée afin de déterminer l’effet des conditions de coupe et des géométries d’outil sur les actions thermomécaniques et donc la génération de contraintes résiduelles, pour le cas du matériau à structure cristallographique bimodale. Les résultats de la modélisation ont ensuite étés comparés à des mesures de diffractométrie à rayons X effectués sur les pièces. / The work presented in this thesis aims to identify the influence of cutting conditions and tool geometries on Ti-6Al-4V alloy’s machinability under two microstructural states: alpha\beta and beta. This thesis takes part into the TiMaS project involving collaboration with Airbus and Figeac Aero. In a first part, we have identified machinability criteria usually considered for titanium alloys. Also, models describing thermomechanical actions occurring during cutting process are explored. In a second part, the two materials’ machinability has been studied for two cutting tools used by the industrials. Following the Tool Material Pair method, an operating space has been defined for the considered pairs. Then, cutting conditions leading to an increase of productivity have been obtained. Cutting forces as well as tool lives have been chosen has machinability criteria. Moreover, observations of chips and their states of deformation highlighted some behavior singularities between the two materials. These singularities have an impact on chip geometries and thermomechanical actions applied on cutting tools. Thus, in a third part, orthogonal cutting tests have been done in order to evaluate the effect of cutting conditions, tool geometries and microstructural state of the work material on thermomechanical actions of the cutting process and on tool chip contact lengths. Observations made on the chip flowing, with high speed cameras, have shown a variability of these contacts, mostly due to the microstructural state of the material. EDX measurements made on tools’ rake face allowed linking these variabilities to diffusion wear. In the last part, residual stresses induced by cutting process on the finished surface has been taken as the last machinability criterion for this study. Using orthogonal cutting test datas from the previous part, a numerical modeling using a low thermomechanical coupling has been carried out in order to understand cutting condition and geometry effects on residual stress generation. Modeling results have been confronted to residual stress measurements made with X-ray diffraction method on finished surface.