L’évaluation de la résistance probable des éléments dissipatifs d’énergie sismique lors du dimensionnement parasismique des charpentes d’acier au Canada repose sur la limite élastique probable de l’acier. Les taux de déformation élevés dans les éléments dissipatifs au cours d’un tremblement de terre ont pour effet d’augmenter la limite élastique de l’acier dans ces éléments. Le comportement dynamique de l’acier étudié par le biais d’essais uniaxiaux conventionnels ne permettent pas nécessairement de valider le comportement d’un élément dissipateur d’énergie sismique pouvant être sollicité selon deux dimensions. Les cadres contreventés excentriques, où le lien ductile subi des déformations biaxiales par les effets combinés du cisaillement et de la flexion en est un exemple. Le projet de recherche présenté dans ce mémoire de maîtrise vise à évaluer l’effet du taux de déformation sur la limite élastique de l’acier structural de grade 350W lors de sollicitations impliquant un état planaire de contrainte. La conception d’une éprouvette cruciforme optimale en acier basée sur des recommandations proposés dans la littérature et sur des analyses par éléments finis a été effectuée. Six essais de traction uniaxiaux et quatre essais de traction équibiaxiaux sur éprouvettes cruciformes ont été réalisés à différents taux de déformation entre 0.0001/sec et 2.4/sec. Durant ces essais, les déformations moyennes à travers la partie centrale des éprouvettes ont été mesurées par un système de potentiomètre conçu dans le cadre de ce projet. Quatre essais biaxiaux sur éprouvettes cruciformes selon des rapports de déformation distincts ont également été réalisés à un taux de déformation quasi-statique. Chaque essai a été simulé numériquement à l’aide d’un modèle éléments finis dans lequel la limite élastique a été calibrée afin de reproduire le comportement observé lors des essais. Le critère d’écoulement plastique de Von Mises ainsi qu’une formulation d’écrouissage non-linéaire ont été adoptés lors des analyses numériques. Les modèles calibrées ont permis de déterminer la limite élastique dynamique observée lors de chaque essai. Les résultats des analyses confirment que la limite élastique de l’acier augmente en fonction du taux effectif de déformation. Sept lois de prédiction de la limite élastique de l’acier ont été étudiées. Trois lois ont permis de représenter la limite élastique dynamique de l’acier testé dans la plage des taux de déformation étudiée. La loi qui semble la mieux adaptée à être implémentée dans un logiciel de modélisation a été identifiée. La loi de Drysdale et Zak utilisé dans le logiciel ADINA ne permet pas d’évaluer correctement le comportement dynamique observé lors des essais impliquant un taux élevé de déformation. Une étude numérique préliminaire sur le lien ductile est également présentée dans ce mémoire.

Cette thèse met l'accent sur la recherche scientifique pour développer une classe de procédés à hautesvitesses de déformation des tôles métalliques en alliages d'aluminium et en acier à haute résistance (AHR).Ces technologies emploient une impulsion de pression de courte durée qui propulse la tôle dans une matrice.Ces procédés sont généralement décrits comme procédés de formage par impulsion de pression (PPF). Letravail proposé dans ce mémoire de thèse a permis de surmonter trois obstacles pour l'utilisation desprocédés PPF et la fabrication à moindre coût de structures légères. Le premier obstacle a été le manque decorrélation entre formabilité et vitesses de déformation qui se développent lors d’un procédé PPF. Nous avonsproposé d’analyser la formabilité et la rupture des tôles, et de caractériser les vitesses de déformation et leurl'hétérogénéité pendant le procédé PPF. Le deuxième obstacle a été le manque de lois constitutives validéespour les métaux déformés par le procédé PPF. Nous avons étudié la microstructure et l'évolution despropriétés mécaniques durant le procédé PPF. Le troisième obstacle est le manque de modèles de formabilitéprédictifs validés pour le procédé PPF. Nous avons utilisé la méthode Marciniak-Kuczynski pour la prédictionde la formabilité de l’alliage AA5182 et de l’acier DP600 sous un large éventail de vitesses de déformation etsous différentes directions de ces vitesses. La combinaison de ces résultats de recherche permet une plusgrande capacité prédictive pour concevoir et développer des procédés PPF pour composants d’automobiledésirés à partir d'aluminium et d’acier AHR. / This thesis focuses on scientific investigation to develop and enable a class of high strain ratesheet metal forming of aluminum alloys and advanced high strength steel (AHSS). These technologiesemploy a short duration pressure‐pulse to drive sheet metal into single‐sided dies, and can generally bedescribed as pulse pressure forming (PPF) processes. The work under this thesis has overcome threetechnical barriers to using PPF processing for more cost effective lightweight vehicles. The first technicalbarrier was the lack of understanding of the interrelationship between formability and measured strainrates that develop during PPF processing. The work under this thesis investigated the formability andfracture of sheet metals during PPF, and characterized the strain rate and the strain rate heterogeneity.The second technical barrier was the lack of a validated constitutive model for lightweight materialsduring PPF processing. The work under this thesis investigated the microstructure and mechanicalproperty evolution in metals during PPF. The third technical barrier was the lack of validated andpredictive formability models for PPF processes. The work under this thesis used the Marciniak andKuczynski method of formability prediction to predict the formability of both aluminum alloy AA5182and AHSS alloy DP600 across a wide range of strain rates and strain rate directions. The combination ofthese research results permits a more predictive capacity to design and develop PPF manufacturingprocesses for a desired automotive component made from aluminum alloys and AHSS.

La déformation actuelle et la sismicité en domaine intraplaque sont des phénomènes mal compris. En particulier le rôle de l'héritage structural sur les variations spatiales de sismicité, et donc d'aléa sismique, reste une problématique majeure à la fois académique et sociétale. Plusieurs études semblent montrer que l'adoucissement rhéologique créé lors de la formation de grandes structures tectoniques aujourd'hui héritées, est un facteur indispensable pour expliquer la localisation et la magnitude de la déformation actuelle. Cependant, la quantification de l'impact de cet l’héritage structural sur la déformation de la croûte supérieure est toujours mal contrainte voir inconnue.Ces travaux de thèse ont pour but de quantifier l'impact de l'héritage structural sur la déformation actuelle des premiers kilomètres de la croûte. Il s’articule autour de deux axes de recherche. Le premier est la mesure précise des taux de déformations dans la vallée du Saint Laurent, à l’Est du Canada, à l’aide du Global Positioning System (GPS). Cette zone présente un fort héritage structural associé au paléo-rift Iapetus (~700 Ma) et une forte densité de station GPS permettant la mesure des taux de déformation tant à l’extérieur qu’à l’intérieur de la zone d’héritage structural. Une des nouveautés de cette étude est la combinaison de stations GPS continues et de campagnes (réseau de campagne dédié, pour la première fois utilisé pour contraindre les taux de déformation dans cette zone). L’analyse des taux de déformation obtenus à l’aide du GPS a montré qu’avec des taux de déformation de 2 à 11 fois supérieurs aux régions limitrophes, la zone d’héritage structural concentre significativement la déformation de surface. La comparaison des taux de déformation GPS avec ceux prédits par les modèles de réajustement isostatique glaciaire (GIA, processus majeur actif dans la région) a mis en évidence que l’héritage structural amplifie les taux de déformation générés par le GIA d’un facteur 6 à 28.Le deuxième axe de recherche consiste à développer des modèles numériques thermo-mécaniques 2D prenant en compte l’adoucissement rhéologique associé à l’héritage structural. La quantification de l’amplification des taux de déformation de la croûte supérieure est effectuée pour différentes localisations de l'adoucissement au sein de la lithosphère. Les modèles sont d’abord réalisés pour un cas intraplaque générique, puis appliqués à la vallée du St Laurent. Une des nouveautés de cette étude est d’analyser les modèles pour une force fixée, représentative du bilan des forces agissant sur la lithosphère, et supposée être à l’équilibre avec la résistance intégrée de la lithosphère. Cela permet d’appréhender le comportement mécanique de la lithosphère pour un état non stationnaire. Pour les modèles intraplaques génériques, l’amplification des taux de déformation varie de 1 à 27 en fonction des paramètres testés (lithologie crustale, quantité de déformation héritée, géotherme et force). Ces amplifications modélisées sont en accord avec celles mesurées par le GPS ou la sismicité à grande échelle spatiale (100s km) dans l’est de l’Amérique du Nord. Les modèles numériques associés à la vallée du St Laurent intègrent l’impact de la géométrie de la zone adoucie et des variations latérales de la quantité d’adoucissement et du géotherme. Les amplifications associées vont de 1 à 11, en accord avec les amplifications GPS calculées dans cette zone. Un résultat majeur mis en évidence par cette étude est la présence d’un noyau élastique conservé dans le manteau lithosphérique supérieur malgré le fort adoucissement imposé, limitant les effets d’amplification.Nos résultats reflètent un comportement mécanique de la lithosphère et de la déformation associée, supposés long-terme (10^3 à 10^5 ans). Des travaux restent à entreprendre pour quantifier l’impact des processus transitoires pouvant être à l’origine de la réactivation des zones d’héritage structural. / Current deformation and seismicity are poorly understood phenomena in intraplate domains. In particular, the role of structural inheritance on spatial variations of seismicity, and hence seismic hazard, remains a major social and academic issue. Previous studies tend to show that rheology weakening created during the formation of large tectonic structures, currently inherited, is essential to explain the current deformation localization and magnitude. However, quantifying the structural inheritance impact on upper crustal deformation is still poorly constrained, if not unknown.The goal of this thesis is to quantify the impact of structural inheritance on present-day upper crustal deformation. It is performed through two research axes. The first one is the measure of precise strain rates in the Saint Lawrence Valley, eastern Canada, using the Global Positioning System (GPS). This region presents a strong structural inheritance related to the Iapetus paleo-rift (~700 Ma) and a dense GPS network, allowing a high resolution in the strain rate measurements both outside and inside the structural inheritance area. One of the novelties in this study is the combination of continues and campaign GPS stations (dedicated network, used for the first time to constrain strain rates in this region). GPS strain rate analysis show that structural inheritance significantly localizes the deformation, increasing 2-11 times the average surface strain rates in the structural inheritance area compared to surrounding regions. The comparison of GPS strain rates and glacial isostatic adjustment models (GIA, the main active process in the St Lawrence Valley) shows that GIA-induced strain rates are amplified inside the inheritance area about a factor of 6 to 28, whereas they are not amplified outside the inherited domain.The second research axe involves developing 2D thermo-mechanical numerical models including rheology weakening related to structural inheritance. Quantification of the upper crustal strain rate amplification is carried out following different weak zone localization in the lithosphere. Models are first produced for a generic intraplate domain and then, dedicated to the St Lawrence Valley. One of the novelties of this study is to analyze the models for a fixed net driving force (including the impact of regional and local forces) assumed to be at equilibrium with the lithospheric integrated strength. This approach allows studying the mechanical behavior of the lithosphere for a non-steady state. For a generic intraplate model, the strain rate amplification varies between 1 to 27 depending on the tested parameters (crustal strength, amount of inherited strain, geotherm and net driving force). These model amplification factors are in good agreement with observed GPS and seismic strain rates calculated on a large spatial scale (100s km) in Eastern North America. Representatives models of the St Lawrence Valley investigate the impact of the weak zone geometry and lateral variations of both the amount of weakening and the geotherm. The associated amplification range between 1-11 and is in good agreement with GPS amplifications calculated in this region. A major feature highlighted through this study is the presence of a preserved elastic core in the upper lithospheric mantle despite the high imposed weakening, limiting amplification effects.Our results reflect long-term behavior (10^3 to 10^5 yrs) of the lithosphere deformation and mechanical behavior. The next step is to include and quantify the impact of transient processes, which could be at the origin of structural inheritance reactivation.

L'industrie automobile emploie massivement les Aciers à Haute Performance (AHP) pour la fabrication des caisses en blanc, en raison de leur rapport résistance/masse élevé. Ils sont utilisés afin d'augmenter la sécurité des occupants en cas de crash, ou de réduire la masse du véhicule grâce à une diminution des sections utiles. En parallèle, le prototypage virtuel est omniprésent dans le processus de conception des nouveaux véhicules. En prenant l'exemple d'une caisse en blanc automobile, la conception de la structure globale et des procédés de mise en forme de ses composants nécessite des modèles prédictifs et fiables décrivant le comportement et la rupture des matériaux utilisés. Des efforts soutenus ont été entrepris ces cinq dernières années pour développer des modèles prédisant la rupture des AHP sous chargement statique. Pourtant les taux de déformations rencontrés lors d'opération de mise en forme sont de l'ordre de 10 s-1, et peuvent atteindre 103 s-1 lors de crashs. Le but de cette thèse est de développer une méthode fiable permettant d'évaluer l'influence du taux de déformation et de l'état de contrainte sur la rupture ductile d'AHP initialement non-fissurés. Une procédure expérimentale est conçue pour caractériser le comportement et l'initiation de la rupture dans des tôles chargées en traction à grande vitesse de déformation. La précision du dispositif est évaluée grâce à des validations numériques et expérimentales. Par la suite, une série d'expériences est réalisée à petite, moyenne et grande vitesse de déformation sur différents types d'éprouvettes de traction, afin de couvrir un spectre étendu d'états de contraintes. Une analyse détaillée de chaque expérience par la méthode des Éléments Finis permet de déterminer le trajet de chargement et l'état de déformation et de contrainte à la rupture dans chaque éprouvette, tout en prenant en compte les phénomènes de striction. La déformation à la rupture est significativement plus élevée à grande vitesse de déformation qu'à basse vitesse. De plus, les résultats montrent que l'influence du taux de déformation sur la ductilité ne peut pas être découplée de l'état de contrainte. Le modèle de comportement constitue un élément essentiel de cette approche hybride expérimentale-numérique. Un modèle de plasticité dépendant du taux de déformation est proposé pour prédire la réponse mécanique des AHP sur toute la plage de déformation, taux de déformation et état de contrainte couverte par le programme expérimental. La précision du modèle est validée par comparaison de mesures expérimentales globales et locales aux prédictions numériques correspondantes. De plus, l'influence de la discrétisation spatiale utilisée dans les simulations par Eléments Finis sur la précision de l'approche hybride expérimentale-numérique est quantifiée. Il est montré qu'un maillage fin d'éléments hexaédriques est nécessaire pour obtenir des prédictions précises jusqu'à la rupture. Ce type de maillage n'est pas compatible avec des applications industrielles à grande échelle pour des raisons évidentes d'efficacité numérique. C'est pourquoi une méthode de remaillage dynamique d'éléments coque vers des éléments solides est présentée et évaluée. Cette méthode permet d'obtenir des prédictions fiables de l'initiation de la rupture dans des tôles sans compromettre dramatiquement l'efficacité numérique obtenue grâce aux éléments coque. La seconde partie de ce travail s'intéresse aux micro-mécanismes responsables de la rupture ductile du matériau étudié. Une analyse micrographique du matériau soumis à différents niveaux de déformation permet d'identifier l'enchainement des mécanismes d'endommagement. Ces observations suggèrent que le mécanisme critique conduisant à la rupture est la localisation de la déformation plastique dans une bande de cisaillement à l'échelle du grain. Un model numérique reposant sur la déformation d'une cellule élémentaire 3D contenant une cavité est développé pour modéliser ce phénomène. Il est montré que le mécanisme de localisation à l'échelle micro de l'écoulement plastique dans une bande de cisaillement permet d'expliquer la dépendance de la ductilité à l'état de contrainte et au taux de déformation observée à l'échelle macro.

Cette thèse met l'accent sur la recherche scientifique pour développer une classe de procédés à hautesvitesses de déformation des tôles métalliques en alliages d'aluminium et en acier à haute résistance (AHR).Ces technologies emploient une impulsion de pression de courte durée qui propulse la tôle dans une matrice.Ces procédés sont généralement décrits comme procédés de formage par impulsion de pression (PPF). Letravail proposé dans ce mémoire de thèse a permis de surmonter trois obstacles pour l'utilisation desprocédés PPF et la fabrication à moindre coût de structures légères. Le premier obstacle a été le manque decorrélation entre formabilité et vitesses de déformation qui se développent lors d'un procédé PPF. Nous avonsproposé d'analyser la formabilité et la rupture des tôles, et de caractériser les vitesses de déformation et leurl'hétérogénéité pendant le procédé PPF. Le deuxième obstacle a été le manque de lois constitutives validéespour les métaux déformés par le procédé PPF. Nous avons étudié la microstructure et l'évolution despropriétés mécaniques durant le procédé PPF. Le troisième obstacle est le manque de modèles de formabilitéprédictifs validés pour le procédé PPF. Nous avons utilisé la méthode Marciniak-Kuczynski pour la prédictionde la formabilité de l'alliage AA5182 et de l'acier DP600 sous un large éventail de vitesses de déformation etsous différentes directions de ces vitesses. La combinaison de ces résultats de recherche permet une plusgrande capacité prédictive pour concevoir et développer des procédés PPF pour composants d'automobiledésirés à partir d'aluminium et d'acier AHR.