La recherche permanente de solutions d’allègement des structures aéronautiques a conduit au développement de nouveaux alliages comme les Al-Cu-Li et les Al-Mg-Li qui se caractérisent par une densité inférieure aux alliages conventionnels et par des propriétés améliorées. De manière générale, la formabilité de ces alliages, que ce soit à froid ou à chaud est encore assez mal connue. Le projet « Formage avancé des alliages basses densité pour application aéronautique » se propose donc de caractériser précisément la plage de formabilité de ces nouveaux alliages et d’investiguer les voies de mise en œuvre les plus adaptées : procédé d’étirage conventionnel ou procédé de mise en forme pendant une étape de traitement thermique. Ce projet regroupe les entreprises AEROLIA SAS, ACB, AIRBUS Operation SAS et CONSTELLIUM.Ces développements seront destinés au fuselage métallique et plus particulièrement à la structure pointe-avant qui présente une géométrie en double courbure ; ils concernent à la fois les panneaux de fuselage et les profilés. / The ongoing researches to lighten aeronautical structures have led to the development of new materials like Al-Cu-Li and Al-Mg-Li alloys. These alloys exhibit lower density and higher mechanical properties than conventional alloys. However, their ability to be formed either by cold or hot forming process is not well known. The aims of this PhD research works are thus to characterize the formability of these new alloys and to suggest the most appropriate forming sequence to elaborate complex aeronautic parts. Various forming processes will be studied such as cold forming by stretching of sheet metal parts or hot forming by stamping of sheet metal parts after or during different heat treatments. An experimental as well as a numerical approach will be used to develop the forming process of these new alloys to elaborate fuselage panels with more or less complex shapes. These PhD research works are a component of a larger project led by IRT Jules Verne and entitled “Advanced forming of low density alloys for aeronautic applications”. This project includes several firms from aeronautic domain (AEROLIA SAS, ACB, AIRBUS SAS and CONSTELLIUM).

La durée d'exploitation des ouvrages de stockage souterrain, en particulier de déchets radioactifs, dépasse de très loin les échelles de temps habituelles en génie civil et rend donc leur dimensionnement délicat. Pour ces projets de construction, la prise en compte du temps devient primordiale et la prévision des déformations irréversibles à long terme est indispensable pour assurer leur pérennité et leur sûreté. Dans ce but, les études expérimentales et modélisations numériques du comportement différé tentent d'évaluer, à proximité de la cavité, l'extension de la zone endommagée, EDZ (Excavation Damage Zone) et surtout de prévoir son évolution dans le temps. Au cours de cette thèse, nous avons étudié, au moyen d'essais de fluage de longue durée et d'essais de chargement à vitesse lente, la viscosité de trois roches argileuses : l'argilite du Callovo-Oxfordien, l'argilite de Tournemire et la marne du Mont d'Or. Etant données leur aptitude au fluage, leur très faible perméabilité et leur forte capacité de rétention des radioéléments, ces trois roches ont les qualités essentielles pour constituer de potentielles couches hôtes pour les stockages de déchets radioactifs. Le but de cette étude est de mieux comprendre les mécanismes régissant le développement des déformations et de l'endommagement différés de ce type de roche. A l'échelle de la microstructure, ces déformations sont dues à des mouvements irréversibles des défauts du réseau cristallin (dislocations). L'étude expérimentale a donc été complétée par une analyse microstructurale sur lames minces des échantillons testés. En simulant analytiquement le comportement mécanique des trois roches étudiées, les résultats de l'étude expérimentale nous ont permis d'identifier les paramètres utilisés dans différents modèles viscoplastiques. La meilleure simulation du comportement a été obtenue avec un modèle prenant en compte le développement des déformations volumiques irréversibles de la roche et l'anisotropie d'endommagement.

Le but de cette thèse est de trouver une méthodologie numérique pour simuler le comportement et la fragmentation des matériaux quasi-fragiles, tels que les roches et le béton, sous sollicitations dynamiques. Une telle méthodologie aidera à une meilleure compréhension des mécanismes de fragmentation des roches à l'explosif et, par conséquent, contribuera dans l'optimisation des performances du tir à l'explosif. Dans cette étude, on considère que le processus de fragmentation est une extension naturelle de celui de la rupture. Afin de décrire ce dernier processus, un modèle de comportement phénoménologique adapté aux matériaux considérés est développé et implémenté dans un code de calcul par éléments finis. Quant à la fragmentation dynamique, elle est traitée par une analyse en post-traitement basée sur l'historique de l'état thermodynamique du matériau. Pour reproduire le comportement macroscopique des matériaux quasi-fragiles incluant l'anisotropie induite par le chargement, la méthode des variables internes basée sur la thermodynamique des milieux continus est employée. Une variable interne de type scalaire est introduite pour modéliser, au niveau macroscopique, l'adoucissement du matériau suite à des chargements de compression. Sous des chargements de traction, un tenseur symétrique du second ordre est utilisé pour décrire l'endommagement anisotrope induit. Sous des chargements complexes, ces deux modèles sont couplés et l'effet de fermeture-réouverture des fissures est également traité. L'intégration du modèle développé dans le code éléments finis VIPLEF3D a conduit à l'élaboration d'une méthode de relaxation caractérisée par une actualisation explicite des variables d'état. Concernant la fragmentation dynamique, à partir d'essais de fragmentation au laboratoire, une formulation générale permettant de prédire la distribution des fragments est fournie. Dans cette formulation une taille moyenne de fragments est liée à une grandeur mécanique, supposée être l'origine du processus de fragmentation, par une fonction intrinsèque qui peut être identifiée en utilisant des essais adéquats de fragmentation. Cette grandeur mécanique est donnée par la résolution du problème aux limites où le modèle rhéologique est utilisé. Enfin, l'approche complète est alors appliquée à la modélisation des essais de rupture et de fragmentation en chambre, d'échantillons cylindriques de roches.

L'étude a pour but de caractériser et d'analyser le comportement mécanique du Ti 6242-Si dans un large domaine de températures, de vitesses de sollicitation et de trajets de chargement. En effet une viscoplasticité plus marquée au voisinage de l'ambiante qu'à plus haute température caractérise de nombreux alliages de titane et de zirconium. Ce comportement inhabituel est à relier à des phénomènes d'interactions entre dislocations et atomes interstitiels (O, C, N, H), généralement décrits par les termes de " vieillissement dynamique " ou " vieillissement statique ". Les microstructures de déformation observées en microscopie électronique en transmission sur certains de ces états de déformation particuliers choisis au travers de tout le domaine de températures exploré, apportent des éclairages ponctuels sur les bases physiques possibles d'une interprétation à l'échelle microscopique des phénomènes observés et mesurés à l'échelle macroscopique. Les résultats obtenus sont alors interprétés à partir de la mobilité relative des dislocations ou groupements de dislocations, de leur interaction avec des solutés en sursaturation dans ce matériau, ou de la structure de cœur particulière de ces dislocations à basse température. L'essai de relaxation, grâce à la large gamme de vitesses de déformation qu'il couvre, a permis d'évaluer dans quelles proportions les différents régimes de déformation se mélangent à chaque température. En effet, deux modes plastiques profondément différents, en se combinant, régissent la viscoplasticité macroscopique : - dans le domaine des hautes températures (ou des faibles vitesses de déformation), le mode traînage est dominant : les dislocations coins traînent des atmosphères de solutés. - dans le domaine des basses températures (ou des vitesses élevées), c'est au contraire le mode friction qui prévaut : les dislocations se déplacent rapidement, les atomes de solutés restant quasi immobiles et ne jouant qu'un rôle de durcissement de solution solide. Dans le domaine de recouvrement de ces deux modes plastiques propres - domaine d'existence du phénomène PLC - de brusques changements de comportement peuvent donc apparaître, car la plasticité en mode friction a tendance à se rassembler localement sous forme de " bandes de vitesse ", alors que le reste de la structure ou de l'éprouvette continue à se déformer beaucoup plus lentement en mode traînage, jusqu'à atteindre le " blocage " aux plus basses températures. La plasticité du matériau est intrinsèquement hétérogène. L'étude fine des données de relaxation met en évidence la présence de " bouffées de plasticité " (strain bursts) très localisées dans le temps et dans l'espace (échelle mésoscopique). Le taux de corrélation de ces événements élémentaires détermine l'amplitude et la forme des manifestations macroscopiques (bandes de vitesse, serrations, crochets de traction,...). Les essais mécaniques ont donc permis de déterminer les frontières des différents domaines de comportement de l'alliage étudié et d'y mesurer certains paramètres macroscopiques caractéristiques tels que les énergies et les volumes d'activation apparents de ces modes plastiques. Aux températures élevées (600°C - 450°C), le mode traînage est omniprésent. Le régime de vieillissement dynamique domine au pic du domaine de l'anomalie de comportement, vers 400°C. À cette température, les capacités de restauration du matériau sont très limitées : la faible amplitude de relaxation qu'il présente est suivie d'un blocage strict de la plasticité. Le domaine des températures intermédiaires, entre 300°C et 200°C, est caractérisé par le blocage quasi-instantané de la plasticité. Dans le domaine des basses températures de l'anomalie (autour de 150°C), la plasticité est rétablie grâce à la prédominance du mode friction, et les durcissements de vieillissement et d'écrouissage s'additionnent. Enfin, à température ambiante, c'est-à-dire au voisinage de la limite basse du domaine, le vieillissement statique se manifeste.

Caractérisation générale de la superplasticité et du procédé de mise en forme des tôles par pression gazeuse. Présentation d'une modélisation numérique permettant une meilleure maîtrise de ce procédé de fabrication notamment utilisé dans l'industrie aéronautique pour le formage de pièces de structures en tôles d'alliages de titane ou d'aluminium.

Ce travail est consacré à l'étude de la rhéologie des bétons fluides. On relate le développement d'un rhéomètre à béton prototype de conception nouvelle, BT RHEOM. Le principe et la mise au point de l'appareil, ainsi que les différentes conduites des essais rhéologiques, sont décrits. Des études visant à estimer l'objectivité des mesures sont présentées. On envisage ensuite quelques études expérimentales avec le BT RHEOM. Les comportements des bétons frais, sans et avec vibration, sont étudiés. Dans la plage de gradient de vitesse étudiée, ils respectent en général le modèle de Bingham, sous réserve que la consistance des bétons satisfasse certaines conditions, et que l'homogénéité des bétons soit acceptable. Les phénomènes de thixotropie et de dilatance des bétons sont ensuite discutés. On s'intéresse également à l'influence des paramètres de composition du béton sur le comportement rhéologique de ce dernier. On établit ainsi un modèle ayant pour objet l'estimation de la viscosité plastique des bétons à hautes performances, fournissant une aide à la formulation du béton. Enfin, avec les caractéristiques intrinsèques d'un béton mesurées au BT RHEOM, on tente de modéliser un problème de chantier : le pompage du béton. On montre également une autre application de ce rhéomètre : la mise au point des formulations de BHP.

Dans les régions polaires, les ouvrages de génie civil subissent l'effet de la dérive des glaces. Celle-ci génère des sollicitations dynamiques contrôlées en partie par le frottement glace-structure. Des essais de frottement cycliques glace-béton ont été réalisés à -10°C, avec une boîte de cisaillement direct, pour différentes conditions de contact (contraintes normales de 25 à 800 kPa ; vitesses de 0,1 à 10 mm.mim-1; rugosité de la surface de béton de 0 à 0,55 mm). Des observations optiques de la glace et des mesures de suivi de la topographie de la surface de béton complètent ces essais. Ceux-ci montrent une augmentation du coefficient de frottement glace-béton au cours du temps, conséquence de la maturation du contact gouvernée par la déformation viscoplastique de la glace. Les résultats ont permis de formuler des lois d'interfaces définissant le coefficient de frottement en fonction des conditions de contact. Les observations optiques ont permis de caractériser les mécanismes physiques mis en jeu dans la glace au niveau de l'interface: déformation viscoplastique, adhérence, recristallisation, glissement aux joints de grains, micro et macrofissuration. La déformation viscoplastique et l'adhérence apparaissent comme les principaux responsables du comportement au frottement observé. Le suivi de la topographie de la surface de béton a permis de mettre en évidence l'usure du béton et d'en quantifier le taux. Une étude théorique du frottement complète ce travail expérimental. Elle prend en compte la déformation viscoplastique de la glace et l'adhérence glace-béton dans un modèle bidimensionnel de l'interface. Ce modèle rend compte convenablement des observations expérimentales et confirme le rôle de la déformation viscoplastique de la glace, qui crée un phénomène de portance limitant la pénétration des aspérités dans la glace, et celui de l'adhérence glace-béton. Il montre par ailleurs l'influence de la topographie de la plaque sur le frottement.

Le but de ce travail est l'obtention d'une loi de comportement plastique à grands taux de déformationdes monocristaux métalliques à structures cubiques en accord avec les résultats expérimentaux sélectionnés dans la littératures et suffisamment maniable pour être utilisable dans un code de simulation des monocristaux et/ou dans des modèles de passage micro-macro.<br />Le comportement est décrit par des relations simples mais dans lesquelles les principaux mécanismes physiques sont inclus : interactions entre les dislocations de différents systèmes, génération-annihilation des dislocations, seuil d'écoulement des dislocations et viscosité du matériau.<br />Une identification de ce modèle est faite pour le cuivre en utilisant des résultats caractéristiques extraits de la littérature.<br />Pour intégrer ces relations, un programme informatique utilisant la méthode des éléments finis en trois dimensions a été spécialement conçu pour la simulation des agrégats de monocristaux. Les résultats de simulations d'essais de traction dans différentes conditions (géométrie de l'éprouvette, orientation cristalline...) sont en bon accord qualitatif avc les résultats expérimentaux (rotation du réseau, nombre et qualité des systèmes actifs, glissements accumulés) prouvant que le modèle proposé est adapté à la description du comportement plastique des monocristaux.<br />A l'aide du programme, l'influence des paramètres physiques du modèle sur le comportement du monocristal est également analysée.

Les chargements thermomécaniques caractéristiques des moteurs de fusée sont souvent complexes et induisent, en particulier, des fluctuations rapides et importantes de la température. Dans ce contexte, la qualification du comportement des matériaux métalliques requiert la mise en oeuvre d'une approche cohérente avec les différentes réponses observées expérimentalement sur une large gamme de température. Celle ci est appliquée, dans notre étude, à la modélisation du comportement élasto viscoplastique et de l'endommagement de deux alliages utilisés dans l'industrie aérospatiale : l'Inconel 600 et le Narloy Z. Les spécificités relatives aux différentes étapes de caractérisation expérimentale, modélisation et identification des modèles sont explicitées, de façon à dégager les éléments de généralisation de la démarche. Ceci permet d'envisager l'application des différents résultats obtenus à des problématiques concrètes telles que la prédiction de la durée de vie de nouveaux composants.

L'étude du comportement mécanique des verres métalliques, matériaux dépourvus d'ordre à longue distance, est un sujet actif. L'intérêt pour ces matériaux a été renouvelé par la mise au point d'alliages amorphisables à faible vitesse critique de trempe permettant d'obtenir des échantillons massifs et donc d'envisager des applications structurales. Les mécanismes de déformation d'un verre métallique base Zr ont été étudiés que ce soit à température ambiante, où le comportement semble fragile macroscopiquement, ou à des températures supérieures à la transition vitreuse, où une grande capacité de déformation est atteinte. Des techniques de caractérisation originales alliant des essais de compression à des essais de nanoindentation (à température ambiante) ou à des essais de spectromécanique (à haute température) ont été utilisées et validées. Un modèle de déformation multiatomique a ainsi pu être proposé pour rendre compte du comportement à haute température. Ces matériaux permettent également de fabriquer, au travers d'une cristallisation partielle, des nanocomposites amorphe / cristal. La cristallisation a été finement caractérisée et deux nouvelles méthodes de mesure de la fraction volumique de nanocristaux ont été validées. L'influence de ces nanocristaux a été étudiée dans les deux gammes de températures caractéristiques et pour les différents modes de sollicitation mécanique révélant une influence relative sur le comportement à température ambiante et une influence marqué sur les mécanissmes visqueux.