Ce travail porte sur l'amélioration de la méthode de la grille afin de mesurer avec de meilleures performances métrologiques des champs de déformation en surface d'éprouvettes soumises à des sollicitations mécaniques. Une procédure d'obtention directe des déformations à partir d'images de grilles a été proposée dans ce but. L'influence des défauts de la grille a également été caractérisée et une procédure adaptée a été développée pour l'éliminer. Les outils proposés ont été appliqués dans le cas de grilles unidirectionnelles et croisées. Les performances métrologiques ont été estimées avec des essais adaptés. Enfin, la méthode a été appliquée à un essai sur un multicristal d'aluminium, montrant ainsi sa mise en oeuvre dans un cas complexe de caractérisation de comportement de matériau

La compréhension et la modélisation des mécanismes de localisation observés lors de processus d'emboutissage représentent un enjeu industriel important. L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche expérimentale basée sur l'analyse des sources de chaleur, les manifestations de localisation pouvant se produire, sur des aciers, lors d'essais quasi-statiques de traction monotone.<br />A partir d'un traitement d'images thermiques infrarouge (effets) et de l'équation de diffusion de la chaleur, on propose une méthode permettant d'estimer les sources de chaleur (causes) générées par le processus de déformation.<br />Sur certains aciers doux, on met en évidence la propagation à vitesse uniforme d'une ou plusieurs bandes dissipatives étroites à travers la zone utile de l'éprouvette. Comparativement à ce premier mode (bandes de Lüders) où les effets dissipatifs sont soudains, intenses et très localisés, on met en évidence le caractère plus régulier et progressif de la concentration des zones où se développent les irréversibilités mécaniques menant à la striction localisée. Des "indicateurs de localisation énergétiques'' proposés pour détecter la localisation montrent qu'elle peut apparaître avant le maximum de la charge, dans plusieurs zones de l'éprouvette. Ce constat implique que la partie utile d'une éprouvette doit être considérée comme une structure et non comme un élément de volume réagissant de façon homogène, ce qui n'est pas sans conséquences sur les méthodes d'identification des modèles de comportement utilisés, en particulier, dans les approches théoriques de la localisation.<br />Enfin, d'autres expériences ont permis de mettre en évidence des manifestations énergétiques associées à des formes particulières de localisation : propagation de fronts de changement de phase (acier inoxydable A301), effets dissipatifs associés à des bandes de glissement (acier magnétique HiBiGO), effets dissipatifs localisés dans des bandes de cisaillement (polymère PVC).

Ce mémoire est consacré à la résolution des problèmes inverses. Il est divisé en deux parties, la première concerne les phénomènes mécaniques et la deuxième les phénomènes thermiques. Avant de proposer des algorithmes pour résoudre les problèmes inverses considérés, la résolution des problèmes directs est au préalable analysée en détail. Le premier thème développé dans la partie mécanique est l'identification des dix caractéristiques d'inertie d'un solide rigide. Les équations du mouvement sont formulées par une égalité entre matrices 4x4 antisymétriques, l'une associée au torseur dynamique, l'autre au torseur des efforts extérieurs. Les caractéristiques d'inertie sont regroupées en une matrice 4x4 symétrique défini-positive. Cette matrice intervient linéairement dans les équations du mouvement, la prise en compte de sa positivité est essentielle à la convergence de l'algorithme du type gradient conjugué projeté proposé pour l'identifier. Le deuxième thème abordé est l'identification du moment quadratique de la section droite d'une poutre en flexion. La partie thermique concerne l'identification de la conductivité thermique et de la chaleur volumique d'un solide dans le cas d'une propagation unidimensionnelle de la chaleur. La méthodologie développée est la suivante : Construction d'un algorithme A1 de résolution du problème direct, Construction d'un algorithme A2 de résolution du problème inverse, Validation de l'algorithme A2 à l'aide de simulations obtenues par l'algorithme A1, Identification des paramètres thermophysiques de trois polymères par exploitation de champs de température mesurés expérimentalement par thermographie infrarouge.

La capture de CO2 par adsorption sur des solides poreux (adsorbants) est une alternative prometteuse en raison de sa sélectivité et de sa faible consommation d'énergie. Nous avons étudié l'adsorption in-situ de CO2 sur des adsorbants solides en combinant la spectroscopie infrarouge par réflexion diffuse (DRIFT) avec la thermographie infrarouge afin de mieux comprendre les mécanismes d'interaction CO2-adsorbant et ainsi optimiser sa captation dans des procédés de capture en post-combustion. La thermographie IR est utilisée pour détecter la source de chaleur transitoire provenant de la surface de l'adsorbant au cours de l'adsorption de CO2. Un modèle de transfert de chaleur a été développé afin d'estimer les chaleurs d'adsorption. Un mini réacteur conçu pour la DRIFT nous a permis d'identifier les espèces adsorbées et d'étudier leur évolution sur la surface de l'adsorbant selon la température et l'atmosphère environnante. Enfin, le couplage d'informations provenant des deux approches nous a permis l'investigation haut-débit des paramètres clefs pour le choix des adsorbants les plus performants.

Les composites thermoplastiques sont de plus en plus privilégiées dans les structures aérospatiales au vue de leur tolérance aux dommages améliorée par rapport aux résines thermodurcissables. Néanmoins, ils restent sensibles à l’impact car il produit des endommagements complexes au sein du matériau, dont le délaminage est le plus critique. La propagation de ces endommagements en compression après impact (CAI) entraîne une réduction de la tenue résiduelle. D’abord, des essais ENF ont été menés afin de déterminer la ténacité interfaciale par le biais de la méthode de la complaisance et de la technique de thermographie infrarouge. Ensuite, l’essai « Short Beam Shear » est proposé afin d’investiguer le couplage entre la fissuration matricielle et le délaminage. L’effet de la vitesse de sollicitation a été également étudié. La valeur de ténacité mesurée semble indépendante à la vitesse de sollicitation car, lors des essais réalisés, la propagation est instable. Ensuite, le comportement d’une éprouvette académique été étudié à l’aide du « Discrete Ply Model » (DPM) permettant d’enchaîner la simulation d’impact et de CAI. Ce modèle est basé sur une approche semi-discrète modélisant le délaminage et la fissuration matricielle par des éléments cohésifs, permettant de prendre en compte le couplage entre ces deux endommagements. Une vaste campagne d'essais expérimentaux d’impact et de CAI a été mise en place sur quatre empilements différents impactés à trois niveaux d’énergie. Le modèle DPM a prouvé sa capacité à prédire correctement les endommagements d’impact et de CAI. Finalement, afin de se rapprocher des conditions de structures réelles, le comportement en compression après impact d’une plaque trouée a été investigué. / High-performance thermoplastic composite have been increasingly used in aerospace applications because of their advantageous mechanical properties. Nevertheless, impact damage leads to significant reduction in structure compressive strength although damage may remain unnoticed. Delamination is the most critical damage. Short Beam Shear (SBS) test has been proposed to reproduce impact damage chronology and characterize delamination toughness. Infrared thermography is used for local measuring of fracture toughness in this unclassical test showing unstable fracture growth. Mode II fracture toughness (GIIC) values are comprised between 0.9 and 1.7 N/mm and there was no influence of the loading rate in GIIC values. Discrete Ply Model (DPM) is therefore used to model impact and compression after impact tests on laminated composite structures. Tests have been conducted in order to validate DPM capacity to capture the effects of progressive damage and failure. Impact damage and specimen’s compressive strength is well predicted by DPM. CAI damage propagation is driven by the buckling of the structure. DPM is finally employed to study impact on an industrial sample with a large diameter hole. Impact damage correlates with tests but buckling is difficult to estimate, meaning that rupture of the specimen does not correlate to tests. Nevertheless, DPM shows a good ability to predict damage in thermoplastic composite.

Ce travail se propose de caractériser thermiquement des composites à microstructures complexes. Il s’agit de développer des méthodes d’estimation permettant d’identifier les propriétés thermiques des différentes phases en présence, ainsi que celles associées à leurs interfaces, à partir de mesures issues de la thermographie infrarouge. Cette estimation paramétrique nécessite la connaissance au préalable de la structure géométrique de l’échantillon. Le premier objectif concerne donc l’identification de la structure de l’échantillon testé par la discrimination des différentes phases et interfaces. Une fois la structure de l’échantillon connue, le second objectif est l’identification des paramètres thermiques des différents constituants ainsi que ceux de leurs interfaces. On se propose d’exploiter deux tests spécifiques utilisant le même dispositif expérimental. Deux méthodes mathématiques différentes ont été développées et utilisées pour exploiter les mesures de champ issues du premier test et permettre de retrouver la microstructure de l’échantillon. La première est fondée sur la décomposition en valeurs singulières des données de températures recueillies. Il est montré que cette méthode permet d’obtenir des représentations de la microstructure de très bonne qualité à partir de mesures même fortement bruitées. La seconde méthode permet de raffiner les résultats obtenus à l’aide de la méthode précédente. Elle repose sur la résolution d’un problème d’optimisation sous contraintes en exploitant la technique dite Level-Set pour identifier les frontières des différents constituants de l’échantillon. L’étape d’identification des propriétés thermiques des constituants et des interfaces exploite les mesures de champs issues du second test expérimental. La méthode développée, la SVD-FT combine des techniques de décompositions en valeurs singulières avec desfonctions tests particulières pour dériver des estimateurs linéaires des propriétés recherchées.Cette méthode permet de limiter les effets du bruit de mesure sur la qualité de l’estimation et de s’affranchir des opérations de filtrage des données. / This work reports on the thermal characterization of composites with a complex microstructure. It aims at developping mathematical methods to identify the thermal properties of the constituants and thoses associate at their interfaces. The first step consistsin discriminating the microstructure of the sample to be tested. Then, when the sample structure is known, the second step consists in estimating the thermal parameters of the different phases and those at their interfaces. One experimental device has been set up to realize those two steps. Two mathematical methods have been developped and used to discriminate the microstructure based on the images of the sample recorded bu an infrared camera. The first method is based on the singular value decomposition of the temperature data. It has been shown that this method gives a very good representation of the microstructure even with very noisy data. The second method allows to refine the results obtained by the first one. This method is based on the resolution of an optimization problem under constraints and use a Level-Set technic to identify the boundary of each phase. To estimate the thermal properties of each phase and its interface, the infrared images of the second experiment have been used. The SVD-FT method developed in this work combines the singular values decomposition technic with particular tests functions to derive linear estimat or for the thermal properties. As a result, a significant amplification of the signal/noise ratios is reached.

L'objectif ultime de ce travail de thèse consiste à établir un bilan énergétique à l'échelle du grain afin de caractériser et de vérifier la cohérence thermodynamique de modèles de comportement utilisés pour rendre compte du développement de la plasticité cristalline dans les matériaux métalliques. La première partie de ce travail a consisté à mettre en place un protocole d'élaboration du matériau permettant d'obtenir la microstructure souhaitée, compatible avec des moyens d'observations macroscopiques. Les échantillons d'aluminium à très gros grains (centimétriques) ainsi obtenus sont utilisés pour effectuer des essais cycliques durant lesquels les champs cinématiques et thermiques sont mesurés au moyen de techniques de Corrélation d'Images Numériques et de Thermographie Infra-rouge. Deux techniques de traitement d'image spécifiques ont été proposées. Elles permettent d'introduire des hypothèses sur les champs cinématiques et thermiques qui soient adaptées à la microstructure (ici continuité intra-granulaire du déplacement, de la température et du flux). Ces méthodes permettent d'accéder à des mesures complètement indépendantes d'un grain à l'autre tout en améliorant la robustesse des méthodes de mesure. Ces méthodes ont été validées numériquement en utilisant des images de synthèse sur lesquelles ont été appliqués des champs hétérogènes. Une campagne d'essais cycliques a enfin été menée sur les multi-cristaux d'aluminium élaborés. Les méthodes développées ont permis d'observer le développement de la plasticité intra-granulaire et le développement de la fissuration inter-granulaire. / The main objective of this PhD thesis is to establish an energy balance at the grain scale in order to assess the thermomechanical consistency of material models used to predict the development of crystal plasticity of metals.The first part of this work consists in setting a protocol allowing the material elaboration with the desired microstructure which is to be compatible with the use of classical macroscopic observation devices. The obtained coarse-grained aluminum samples (with centimeter grains) are used in cyclic tensile tests. During these tests, the kinematic and thermal fields are recorded with Digital Image Correlation and Infra-Red Thermography techniques.Two specific imaging techniques were developed. They allow introducing ad hoc hypotheses (i.e. consistent with microstructure) on the kinematic and the thermal fields. In this work, these hypotheses consist in intra-granular continuity conditions on the displacement, temperature and heat flux fields. These methods give independent measures on each grain while improving the robustness of the measurement methods. These methods were numerically validated using computer-generated images heterogeneously loaded.Cyclic tests were finally performed on the processed aluminum multi-crystals. The developed methods allowed the observation of the development of intra-granular plasticity and the development of inter-granular cracking.

L'utilisation de la température comme variable d'état dans les études de comportement des matériaux, bien que prometteuse, est rarement adoptée. Les difficultés métrologiques expérimentales qui apparaissent, en particulier dans le contexte de la fatigue à grand nombre de cycles, expliquent en partie ce délaissement. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie expérimentale suffisamment sensible pour détecter les variations d'énergie thermique dissipée lors de la déformation cyclique d'un matériau à des niveaux de contraintes inférieurs à la limite élastique macroscopique. Elle consiste à déterminer les différents termes de l'équation de la chaleur en partant du champ de température acquis à l'aide d'une caméra infrarouge. L'écart type du bruit global de la méthode est de 1 mK.s-1, exprimé en vitesse d'échauffement. Cette résolution est obtenue grâce à un certain nombre de précautions expérimentales, à la prise en compte de l'ensemble des échanges thermiques et à un traitement simple mettant à profit les caractéristiques de la caméra infrarouge matricielle. La procédure expérimentale développée est testée sur un acier à très bas carbone et un aluminium A5. Elle permet en particulier de suivre la dissipation thermique due à l'adaptation microplastique du matériau aux premiers cycles de sollicitations et de distinguer les seuils de passage d'un comportement élastique à viscoélastique puis microplastique. Les performances obtenues devraient permettre de lever une partie des verrous limitant le choix de la température comme variable d'observation du comportement des matériaux.

Cette étude est consacrée à l'analyse thermomécanique de la transformation martensitique prenant place dans les Alliages à Mémoire de Forme (AMF). Cette analyse est effectuée à différentes échelles et s'appuie sur des champs de mesures thermomécaniques, des simulations numériques 3D par éléments finis et des simulations utilisant la dynamique moléculaire. L'étude est restreinte au comportement pseudoélastique d'un monocristal de CuAlBe, soumis à des chargements de traction. Les observations par imagerie cinématique et énergétique couplées rendent possible la caractérisation précise et locale du front de changement de phase qui apparait lors d'une sollicitation mécanique d'une éprouvette d'AMF. L'analyse énergétique qui en est faite, permet d'interpréter la transformation de phase comme liée à un couplage thermomécanique fort, et de négliger la dissipation intrinsèque. Conformément à ces résultats, un modèle thermomécanique monovariant est proposé qui rend compte du phénomène d'hystérésis et des effets du temps observés expérimentalement. Le front de changement de phase est ensuite généré numériquement puis comparé à l'expérience et à la littérature. Dans un second temps, un modèle d'AMF idéal est proposé à l'échelle cristalline. La dynamique moléculaire permet de construire l'énergie libre associée à un ensemble d'atomes et de réaliser des expériences numériques. L'évolution du comportement avec la dimension de l'échantillon est étudiée numériquement puis discutée. Une tendance à la convexification du potentiel énergétique est observée, ainsi que l'apparition d'une microstructure complexe.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur bonne tenue mécanique et de leur faible densité. La diversité des domaines d'application des matériaux composites donne lieu à une grande variété de modes de sollicitation et d'endommagement. De ce fait, l'évaluation de leurs propriétés et le contrôle de leur état présentent un grand intérêt industriel. Dans ce travail, une nouvelle méthode d'évaluation et de contrôle non destructif dite par sonothermographie est explorée. Cette méthode est basée sur l'analyse du champ thermique induit par des ondes ultrasonores de puissance dans les matériaux absorbants tels que les composites. Deux applications complémentaires sont étudiées, d'une part l'évaluation des propriétés thermiques du matériau et d'autre part le contrôle non destructif de structures par thermographie infrarouge. Dans ce cadre, le problème direct de la sonothermographie est résolu numériquement à partir d'un modèle par éléments finis. Ce modèle permet de simuler le champ thermique induit par la propagation d'ondes ultrasonores dans un matériau absorbant dont les propriétés sont connues. Les simulations réalisées permettent de montrer l'applicabilité de la sonothermographie à la détection de défauts. Une nouvelle approche de caractérisation thermique est également développée. Cette approche basée sur la formulation faible de l'équation de conduction de la chaleur permet une estimation robuste de la diffusivité thermique du matériau à partir du champ thermique induit par les ondes ultrasonores de puissance. Des résultats expérimentaux sont présentés pour le cas de plaques minces.