L'objectif de cette thèse est d'étudier expérimentalement les phénomènes de vieillissement dus à la diffusion des atomes en solution dans les alliages d'aluminium et les instabilités qui leur sont associées comme le phénomène Portevin-Le Châtelier ou les bandes de Lüders et de proposer une modélisation de ces phénomènes dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Une étude expérimentale détaillée est alors entreprise sur les alliages d'aluminium AA5083-H116 et AA5182-O. Le comportement du premier présente l'effet PLC de façon prononcée et les deux types d'instabilités sont observées simultanément pour le second. La corrélation d'images numériques et la thermographie infrarouge sont essentiellement employées pour détecter et caractériser les aspects spatiotemporels des instabilités observées. La déformation non homogène due à l'apparition et la propagation de bandes de localisation est mise en évidence. Ces bandes de déformation sont visualisées, permettant à leurs diverses caractéristiques (vitesse, orientation, largeur, vitesse de déformation à l'intérieur des bandes, augmentation de la température à l'intérieur des bandes) d'être mesurées sur des éprouvettes lisses (plates, cylindriques ou prismatiques). Dans le cas des éprouvettes plates, l'effet des épaisseurs de l'éprouvette a aussi été examiné. Les caractéristiques des bandes sont aussi analysées sur d'autres géométries d'éprouvette (entaillées avec divers types d'entailles) à des vitesses de déformation différentes pour exhiber leur morphologie en présence de chargements multiaxiaux. Des simulations non linéaires et tridimensionnelles ont été effectuées en utilisant le modèle de McCormick pour montrer comment la prise en compte des phénomènes de vieillissement, même partielle, permet de décrire les hétérogénéités et le mouvement des bandes de déformation ainsi que de prévoir leurs différentes caractéristiques. Enfin, en se basant sur les mécanismes physiques à la base des phénomènes de vieillissement et en soulignant les limites du modèle de McCormick, un modèle élasto-viscoplastique prenant en considération les phénomènes de vieillissement est proposé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles.

Les tubes en Zircaloy-4 renfermant le combustible des centrales REP constituent la première barrière de sécurité vis-à-vis de la dissémination d'éléments radioactifs dans l'atmosphère. Devant la complexité des phénomènes mis en jeu en réacteur, EDF a recours à la simulation numérique pour évaluer et garantir l'intégrité mécanique de ces tubes. L'objectif de cette thèse est de développer une modélisation du comportement mécanique des alliages de zirconium par une approche prédictive, en se basant sur l'étude de la microstructure du matériau et des mécanismes physiques de la déformation plastique. Pour alimenter la modélisation, une approche expérimentale a été mise en place couplant essais mécaniques et observations des mécanismes de déformation plastique sur des tubes en Zircaloy-4 à l'état recristallisé. Lors des essais mécaniques, on s'est attaché à réaliser des essais "originaux" dont l'analyse des résultats puisse être directement reliée aux mécanismes de déformation à l'échelle des grains. Pour déterminer les modes de déformation actifs dans le Zircaloy-4, des observations post mortem en microscopie électronique en transmission ont été effectuées. Des lames minces ont été prélevés sur des tubes soumis à différents trajets de chargement mettant en exergue l'anisotropie et la viscosité du matériau. Le point de départ de la modélisation est une approche de type micro-mécanique, adaptée aux polycristaux, utilisée avec succès pour des matériaux cubiques, en prenant en compte la spécificité de la structure hexagonale du zirconium. Le choix des lois de comportement régissant les mécanismes de glissement découle de notre approche expérimentale. Les résultats obtenus par la modélisation sont confrontés avec les essais mécaniques et les observations microstructurales. Les points forts du modèle ainsi que ses lacunes sont dégagés. Les résultats obtenus montrent tout l'intérêt d'étendre la méthodologie mise en œuvre au cas du matériau irradié.

Un certain nombre d’écoulements géophysiques, tels que les écoulements de glace ou de lave magmatique, impliquent le mouvement gravitaire à faible nombre de Reynolds d’un fluide viscoplastique à surface libre sur un socle rocheux. Leur modélisation fait apparaître des lois de comportement rhéologique et des descriptions de leurs intéractions avec le socle rocheux qui reposent sur des paramétrisations empiriques. Par ailleurs, l’observation systématique de ce type d’écoulements avec une grande précision est rarement possible ; les données associées à l’observation de ces écoulements, principalement des données de surface (télédétections), peuvent être peu denses, manquantes ou incertaines. Elles sont aussi le plus souvent indirectes : des paramètres inconnus comme le glissement basal ou la rhéologie sont difficilement mesurables in situ.Ce travail de thèse s’attache à la modélisation directe et inverse de ces écoulements géophysiques, particulièrement les écoulements de glace, par des méthodes variationnelles à travers la résolution du problème de Stokes pour les fluides en loi de puissance.La méthode de résolution du problème direct (Stokes non-linéaire) repose sur le principe du minimum de dissipation qui mène à un problème variationnel de type point-selle à quatre champs pour lequel on montre l’existence de solutions. La condition d’incompressibilité et la loi de comportement représentent alors des contraintes associées au problème de minimisation. La recherche des points critiques du lagrangien correspondant est réalisée à l’aide d’un algorithme de type lagrangien augmenté, discrétisé par éléments finis triangles à trois champs. Cet algorithme conduit à un important gain tant en temps de calcul qu’en utilisation mémoire par rapport aux algorithmes classiques.On s’intéresse ensuite à la modélisation numérique inverse de ces fluides à l’aide du modèle adjoint et des deux principaux outils associés : l’analyse de sensibilité et l’assimilation de données. On étudie tout d’abord la modélisation rhéologique de ces fluides à travers les deux paramètres principaux de la loi de comportement : la consistance du fluide et l’exposant rhéologique. Des analyses de sensibilité sur ces paramètres définis localement, permettent de quantifier leurs poids relatifs au sein du modèle d’écoulement, en termes de vitesses de surface. L’identification de ces grandeurs est également réalisée. L’ensemble des résultats est résumé comme une méthodologie vers une “rhéométrie virtuelle” pouvant représenter une aide solide à la mesure rhéologique.Le glissement basal, paramètre majeur dans la dynamique de la glace, est investigué selon la même approche. Les analyses de sensibilité mettent en avant une capacité à voir à travers le caractère “filtré” et non-local de la transmission de la variabilité basale vers la surface, ouvrant des perspectives vers l’utilisation des sensibilités pour la définition de lieux d’intérêt pour l’observation et la mesure. Ce glissement basal, modélisation empirique d’un processus complexe et multiéchelle, est ensuite utilisé pour la comparaison avec une méthode inverse approximative courante en glaciologie (méthode négligeant la dépendance de la viscosité à la vitesse, i.e. la non-linéarité). Le modèle adjoint, obtenu par différentiation automatique et évalué par accumulation retour, permet de définir cette approximation comme un cas limite de la méthode inverse complète. Ce formalisme mène à une généralisation du processus d’évaluation numérique de l’état adjoint, ajustable en précision et en temps de calcul en fonction de la qualité des données et du niveau de détail souhaité dans la reconstruction.L’ensemble de ces travaux est associé au développement du logiciel DassFlow-Ice de simulation directe et inverse de fluides viscoplastiques à surface libre. Ce logiciel prospectif bidimensionnel, diffusé dans la communauté glaciologique, a donné lieu au développement d’une version tridimensionnelle. / Several geophysical flows, such as ice flows or lava flows, are described by a gravity-driven low Reynolds number movement of a free surface viscoplastic fluid over a bedrock. Their modeling involves constitutive laws, typically describing their rheological behavior or interactions with their bedrock, that lean on empirical parameterizations. Otherwise, the thorough observation of this type of flows is rarely possible; data associated to the observation of these flows, mainly remote-sensed surface data, can be sparse, missing or uncertain. They are also generally indirect : unknown parameters such as the basal slipperiness or the rheology are difficult to measure on the field.This PhD work focuses on the direct and inverse modeling of these geophysical flows described by the power-law Stokes model, specifically dedicated to ice flows, using variational methods.The solution of the direct problem (Stokes non-linear) is based on the principle of minimal dissipation that leads to a variational four-field saddle-point problem for which we ensure the existence of a solution. In this context, the incompressibility condition and the constitutive rheological law represent constraints associated to the minimization problem. The critical points of the corresponding Lagrangian are determined using an augmented Lagrangian type algorithm discretized using three- field finite elements. This algorithm provides an important time and memory saving compared to classical algorithms.We then focus on the inverse numerical modeling of these fluids using the adjoint model through two main associated tools : sensitivity analysis and data assimilation. We first study the rheological modeling through the two principal input parameters (fluid consistency and rheological exponent). Sensitivity analyses with respect to these locally defined parameters allow to quantify their relative weights within the flow model, in terms of surface velocities. Identification of these parameters is also performed. The results are synthetized as a methodology towards “virtual rheometry” that could help and support rheological measurements.The basal slipperiness, major parameter in ice dynamics, is investigated using the same approach. Sensitivity analyses demonstrate an ability to see beyond the ”filtered” and non-local transmission of the basal variability to the surface. Consequently these sensitivities can be used to help defining areas of interest for observation and measurement. This basal slipperiness, empirical modeling of a multiscale complex process, is then used to carry on a comparison with a so called “self-adjoint” method, common in glaciology (neglecting the dependency of the viscosity on the velocity, i.e. the non-linearity). The adjoint model, obtained by automatic differentiation and evaluated by reverse accumulation, leads to define this approximation as a limit case of the complete inverse method. This formalism allows to generalize the process of the numerical evaluation of the adjoint state into an incomplete adjoint method, adjustable in time and accuracy depending on the quality of the data and the level of detail required in the identification.All this work is associated to the development of DassFlow-Ice software dedicated to the direct and inverse numerical simulation of free-surface viscoplastic fluids. This bidimensional prospective software, distributed within the glaciological com- munity, serves as a model for the current development of the tridimensional version.

De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des fluides complexes qui possèdent souvent un seuil d'écoulement leur permettant de résister à des efforts finis sans s'écouler. Par ailleurs, ces fluides peuvent glisser aux parois lorsque les conditions interfaciales sont favorables. Toutes ces propriétés influencent leurs écoulements autour d'obstacles. Cette thèse se propose de comprendre ces écoulements dans le domaine où les vitesses d'écoulement sont telles que les effets inertiels peuvent être négligés devant les effets visqueux eux-mêmes faibles par rapport aux effets plastiques. Elle analyse l'influence de la vitesse et du glissement sur la force de traînée et les champs cinématiques générés par l'écoulement très lent et en régime permanent d'un fluide à seuil autour d'obstacles aux surfaces adhérentes ou glissantes. Les géométries considérées sont le disque, la sphère, le cône et la plaque plane. Le fluide utilisé a un comportement élasto-viscoplastique pouvant être décrit par les modèles de Herschel-Bulkley et de Hooke. Ce comportement a été caractérisé en volume et en présence de glissement par des mesures rhéométriques. Le nombre adimensionnel clé de l'étude est le nombre d'Oldroyd, ratio entre les effets plastiques et les effets visqueux, compris ici entre 10 et 200. Les mesures de forces de traînée ont montré qu'indépendamment de l'obstacle et des conditions interfaciales, le coefficient de traînée diminue avec le nombre d'Oldroyd et tend vers une valeur asymptotique. Cette valeur montre qu'au-delà d'un certain nombre d'Oldroyd, ce coefficient n'est plus gouverné par la vitesse mais dépend uniquement du seuil et de la surface caractéristique de l'obstacle. Elle permet de calculer un critère de stabilité pour lequel l'objet est maintenu en suspension. Les champs cinématiques déterminés par PIV ont permis de caractériser la forme et l'étendue des zones rigides et cisaillées. Les mesures de forces de traînée et de champs cinématiques ont permis de quantifier la contribution des contraintes normales et tangentielles dans la force de traînée totale. La présence de glissement aux parois de l'obstacle diminue significativement le coefficient de traînée et modifie la morphologie de l'écoulement en réduisant l'étendue des zones cisaillées. Une simulation numérique a été menée dans le cas de la plaque plane avec un modèle élasto-viscoplastique et un code à éléments finis avec points d'intégration Lagrangiens. / Many industrial processes include numerous complex fluids often presenting a yield stress. Those fluids can also slip when interfacial conditions are favorable. All these properties affect their flows around obstacles. This thesis aims to understand such flows in a domain where the flow velocities are so low that inertia effects can be neglected compared to viscous effects which are substantially low compared to plastic effects. It analyzes the influence of the velocity and the slip on the drag force and the kinematic fields of the creeping flow of a yield stress fluid around obstacles either with adhesive or slippery wall. The flow is analyzed in steady regime. The considered geometries are the disc, the sphere, the cone and the flat plate. The fluid used has an elasto-viscoplastic behavior which is modelled by the Herschel-Bulkley and Hooke models. This behavior has been characterized by rheometrical tests performed with adherence and slip conditions. The main non-dimensional number is the Oldroyd number, i.e. the ratio between plastic and viscous effects, which ranges from 10 to 200. The drag forces measurements have shown that regardless of the obstacle and the interfacial conditions, the drag coefficient decreases with the Oldroyd number before tending towards to an asymptotical value. This asymptotical value highlights that for high Oldroyd numbers the drag coefficient is no longer governed by the velocity but depends only on the yield stress and the characteristic section of the obstacle. A stability criterion for which the obstacle is held in suspension has been calculated from it. The kinematic fields determined by PIV have enabled to characterize the shape and the extent of the sheared and static regions. The drag forces and the kinematic fields measurements have enabled to quantify the contribution of the normal and tangential stresses in the total drag force. The wall slip significantly reduces the drag coefficient and also reduces the extent of the sheared zones. A numerical simulation has been performed with an elasto-viscoplastic model by means of a code using finite elements method with Lagrangian integration points in the case of an adhesive flat plane.

Les durées de vie classiques des pièces en aéronautique sont de plusieurs dizaines d’années. Cependant, certaines applications en marge impliquent des durées de vie bien plus courtes, sans réparation ou récupération des pièces. Les modèles de conception classiques doivent être adaptés et la démarche du choix matériau se faire « au juste besoin », autorisant l’utilisation des matériaux aux conditions limites de leur intégrité. Afin d’estimer ces limites, la caractérisation à plus hautes températures d’alliages existants est entreprise. C’est dans cette optique que se placent les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit. L’alliage étudié est le Ti-6Al-4V (TA6V) forgé qui possède à l’issu du traitement thermomécanique une microstructure duplex. Il est actuellement l’alliage de titane le plus couramment utilisé en aéronautique et son utilisation est généralement limitée aux environs de 350°C pour des durées de vie classiques. Dans le but d’utiliser cet alliage pendant une dizaine d’heure, l’étude menée consiste à caractériser le TA6V de 20°C à 600°C. La caractérisation se centre, dans un premier temps, sur l’état métallurgique de la matière initiale issue du galet forgé et sur sa stabilité en température. Ensuite, le comportement mécanique du TA6V est étudié de 20°C à 600°C en traction, mettant en évidence une sensibilité de la contrainte d’écoulement à la vitesse de déformation dépendant de la température. Ce comportement est mis en lien avec le phénomène de vieillissement dynamique. La caractérisation du comportement mécanique est poursuivie par une campagne étendue de fluage de 20°C à 600°C pour différents niveaux de contraintes (de 0,3 à 1 fois la limite d’élasticité en traction). Ces essais montrent différents comportements en fonction de la température. La matière déformée en traction et en fluage est analysée en microscopie électronique en transmission afin d’apporter des informations sur les mécanismes de déformation gouvernant les différents comportements de l’alliage. Les campagnes de caractérisation en traction et en fluage ont permis d’établir un modèle de comportement viscoplastique du TA6V de 20°C à 600°C validé par l’ajustement des résultats obtenus à l’issue d’essais thermomécaniques complexes avec la simulation de ces essais par éléments finis. La corrélation des résultats en traction et en fluage et la détermination des mécanismes de déformation conduit à une discussion sur le comportement viscoplastique du TA6V, pour finalement aboutir à une proposition de modélisation du fluage du TA6V de 20°C à 600°C. Le modèle permet de reproduire qualitativement des courbes de fluage à partir de la sensibilité à la vitesse de déformation mesurée au cours d’essais de traction. / Classical life time of aeronautic parts lasts several decades. However, for some special applications with short life time and without repairs or recovery of parts, material design is tailored “close to real needs”. This justifies characterization at higher temperatures of well-known alloys and not developing new alloys. The study presented in this manuscript is included within this frame of short life applications. Forged Ti-6Al-4V (Ti-64) alloy with a bimodal microstructure is the most common titanium alloy in aeronautic and is usually limited below 350°C applications during classical life time. In order to use this alloy during a ten hour application, this thesis consists in characterizing Ti-64 from 20°C to 600°C. In a first time, characterization is focused on initial metallurgical state coming from a forged billet and on its thermal stability. Then, mechanical behavior of Ti-64 is studied by tensile testing from 20°C to 600°C, highlighting strain rate sensitivity (SRS) of flow stress. SRS is depending on temperature. This dependency is usually due to dynamic strain ageing phenomenon. Mechanical behavior characterization continues with creep testing from 20°C to 600°C for several stress levels (from 0.3 to 1 time yield stress values). Different behaviors versus temperature are revealed. Deformed samples by tensile testing and creep testing are analyzed by transmission electronic microscopy to bring information about deformation mechanisms controlling the different behaviors of the alloy. Thanks to tensile and creep testing, a viscoplastic modeling of Ti-64 from 20°C to 600°C has been performed and validated by fitting results from complex thermo mechanical tests with finite elements simulations. Comparison of mechanical behavior with deformation mechanisms leads to a discussion about viscoplasticity of Ti-64, and finally results in a proposal modeling creep behavior of Ti-64 from 20°C to 600°C. The model is able to estimate qualitatively creep curves using strain rate sensitivity measured during tensile tests.

Ces travaux exposent et analysent les performances d’un composite à matrice thermoplastique semi-cristallin au passage et au-delà de la transition vitreuse. Il est nécessaire de donner des éléments objectifs afin d’évaluer et discuter dans quelles mesures ce matériau peut être utilisé de manière innovante. L’objectif visé est de donner des perspectives en termes de plage de températures d’utilisation des matériaux composites à matrice thermoplastique et plus spécifiquement pour des applications à hautes températures. Le composite à fibres continues de carbone et matrice polyétheréthercétone PEEK a ainsi été étudié sur une large gamme de température, avant et après sa température de transition vitreuse (Tg = 143°C).La phase de caractérisation quasi-statique a mis en évidence l’importance du renfort et le bon transfert de charge de la matrice au-delà de la Tg pour les différentes sollicitations. En particulier, la résistance à la rupture en compression s’est avérée intéressante dans l’optique d’une application structurelle. De plus, les observations fractographiques ont mis en évidence des comportements radicalement différents au passage de la transition vitreuse. Le caractère plus ductile de la matrice permet de limiter la propagation de fissures au travers des plis par dissipation de l’énergie : la plastification de la matrice augmente la capacité du composite à dissiper de l’énergie en limitant ainsi la fissuration. Cependant pour des chargements où la matrice pilote la réponse mécanique du composite tels que des efforts de cisaillement, les comportements non linéaires sont fortement accentués. Des mécanismes de déformations dépendant du temps ont été observés à travers des essais de charge-décharge et de fluage au-delà de la Tg : le caractère visqueux de la matrice joue un rôle prépondérant.Ces mécanismes non linéaires étant identifiables sur des temps longs, il était intéressant de proposer des méthodes de modélisation pour prédire le comportement du composite. C’est pourquoi des modèles à l’échelle du pli ont été adaptés en fonction de la température et de la prépondérance des caractères viscoélastique et viscoplastique. Différents essais de fluage-recouvrance en torsion rectangulaire menés sur un rhéomètre ont permis d’évaluer les composantes viscoélastiques et viscoplastiques de la déformation à des températures inférieures et supérieures à la Tg. / The present study shows and analyses the specifications of a semi-crystalline thermoplastic composite as function of temperature, below and above the glass transition. In order to assess and discuss about what extent this material could be innovately use, objective facts must be necessary exposed: the main target is to give the outlooks about the temperature range, in particular the high temperatures. The studied material is a continuous carbon fibre composite with a polyetheretherketone (PEEK) matrix. Its glass transition temperature is around 143°C. It has been characterized throughout a wide temperature range.For several kinds of quasi-static loadings, the load transfer from the matrix to the fibre reinforcement is good even above the glass transition temperature. The compression strength is indeed very interesting for an aeronautical application. In addition, the fracture surface analysis have significantly revealed a different behaviour above the glass transition temperature: the matrix is more ductile and thus the crack propagation is limited thanks to the energy dissipation. However when the mechanical response is driven by the matrix behaviour such as shear loadings, the nonlinear mechanical behaviour of the composite are highly increased. Therefore the time-dependent behaviours have been characterized by using creep experiments and loading-unloading tensile tests as function of the temperature.In order to predict those non-linear behaviours, meso-models have been developed as function of the temperature. Thus viscoelasticity and viscoplasticity have been taken into account to model the nonlinear mechanical behaviour of the composite material, thanks to creep-recovery tests which have been carried out with a torsion rheometer.

La majorité des adhésifs utilisés dans l’industrie marine sont des polymères avec un comportement mécanique qui est fortement influencé par les conditions environnementales (vieillissement hydrique ou température). Par conséquent, il est très important pour les ingénieurs travaillant dans des bureaux d’études d’être capable de prendre en compte ces effets lors des différentes étapes de développement et conception des assemblages collés.Le présent travail propose une méthode d’analyse de l’influence du vieillissement hydrique sur le comportement mécanique d’un adhésif structural époxy dans un assemblage collé. Tout d’abord, un modèle viscoélastique-viscoplastique a été développé pour caractériser la réponse mécanique de l’adhésif dans un joint de colle. Pour cela, le dispositif expérimentalArcan a été utilisé. Le modèle est identifié en utilisant la méthode d’identification inverse et les échantillons sont testés à l’état non-vieilli (pas de vieillissement hydrique). Les résultats obtenus après la démarche d’identification sont utilisés pour prédire le comportement mécanique d’éprouvettes massiques.Dans un deuxième temps, afin de diminuer les temps de saturation d’échantillons, l’évolution des propriétés mécaniques de l’adhésif est analysée sous différentes conditions de vieillissement hydrique (immersion dans l’eau de mer et en humidité relative contrôlée) grâce à des essais sur éprouvettes massiques.Les résultats obtenus seront utilisés pour identifier l’évolution de chaque paramètre du modèle proposé, en fonction de la quantité d’eau absorbée. En parallèle, un modèle de diffusion a été développé pour caractériser le gradient de teneur en eau des joints de colle. Les deux approches sont ensuite combinées pour modéliser les profils d’eau pour différents temps de vieillissement et prédire l’évolution des propriétés mécaniques du joint de colle après le vieillissement. Finalement, pour valider la méthode proposée, la prédiction du modèle est comparée avec des essais réalisés sur assemblages collés vieillis. / Most of the adhesives used in the marine industry are polymers with a mechanical behaviour which is strongly influenced by environmental conditions (water activity or temperature). Therefore, it is important for engineers and designers to be able to consider these effects during the different stages of development and manufacturing of a bonded structure.The present work presents a method for analyzing the influence of water ageing on the behaviour of an epoxy adhesive in an adhesively bonded assembly.First, a viscoelastic-viscoplastic model is developed to characterise the mechanical response of the adhesive at initial state in a bonded joint using the modified Arcan device. The model is identified using the inverse identification method and the considered samples are tested at an unaged stage (no water activity). The results obtained after the identification process are used to predict the bulk behaviour of the adhesive. A comparison between numerical results and experimental tests realised on bulk specimens is then made in order to validate this first approach.In a second phase, in order to decrease the times for samples saturation, the evolution of the mechanical properties of the adhesive in bulk form is tested under different water ageing conditions (immersion in seawater and different relative humidity). The obtained results allowed to identify the evolution of the model parameters as a function of water content. In parallel, a diffusion model was developed to characterise the water ingress in the bonded joint. These two approaches are then combined to model the water profiles and to consider the evolution of mechanical properties of a water aged adhesively bonded assembly, for different immersion times. Finally, to validate the framework, the prediction is compared with experimental tests performed on aged specimens.

L’acier 316L(N) est le matériau de référence pour les structures du circuit primaire des réacteurs nucléaires de quatrième génération, en raison de leur résistance mécanique à la température de fonctionnement, de l’ordre de 550°C. La thèse a permis de développer un modèle polycristallin, capable de prédire le comportement de ces aciers, basé sur la description du glissement viscoplastique des dislocation à haute température, de mise en œuvre simple et avec l’identification d’un nombre de paramètres matériau limité. La démarche de modélisation a été progressive. Lors de la première étape, nous avons proposé et validé une loi d'homogénéisation élasto-viscoplastique à champs moyens, grâce à de nombreux calculs par éléments finis, en considérant des durcissements plastique et des viscosités cristallines. Ensuite, un modèle de viscoplasticité cristalline, reposant sur les lois d’évolution des densités de différents types de dislocations, a été implémenté et les prédictions ont été validés en considérant un très grand nombre de résultats expérimentaux à faible. Le modèle a ensuite été enrichi afin de prendre en compte les mécanismes physiques supplémentaires observés à température élevée, comme la montée des dislocations, le vieillissement dynamique et l’apparition d’une structure de dislocation très hétérogène. Le modèle proposé nécessite uniquement l’ajustement de trois paramètres par identification inverse, utilisant seulement des essais de traction monotone avec saut de vitesse. Les prédictions du comportement mécanique en chargement uniaxial et cyclique sont également en bon accord avec les mesures expérimentales aux températures élevées. / The 316L(N) stainless steels is the reference material for the primary circuit structures of fourth-generation nuclear reactors. This alloy present high mechanical resistance at the operation temperature range of these reactors, of the order of 550 °C. This PhD allowed to develop a polycrystalline model based on the description of the viscoplastic dislocation slip at high temperatures, with straightforward implementation and with identification of a limited number of material parameters. The modeling process was progressive. In a first step, we proposed and validated a mean-field elastic-viscoplastic homogenization law, in comparison to numerous finite element calculations, considering crystalline plastic hardening and crystalline viscosity. Then, a model of crystalline viscoplasticity, based on the evolution laws of the different dislocations densities was implemented and the predictions were validated considering a very large number of experimental results at low temperature. The model was then enhanced to take into account the additional physical mechanisms observed at high temperature, such as dislocation climb, dynamic strain aging and the appearance of a very heterogeneous dislocation structure. The proposed model requires the adjustment of only three parameters by inverse identification, using only monotonic tensile tests at different strain rates. The mechanical behavior predictions in uniaxial and cyclic loading are also in good agreement with experimental measurements at high temperature.

Ce travail de thèse aborde l'hydrodynamique régissant un grand nombre d'applications industrielles mettant en œuvre des fluides à seuil de contrainte. Il s'intéresse plus particulièrement à l'étude du problème de base de la mécanique des fluides que constitue l'écoulement d'un fluide autour d'obstacles cylindriques. <br />Dans un premier temps, le domaine des grands nombres d'Oldroyd, peu abordé dans la littérature, a été examiné en s'intéressant plus particulièrement aux aspects cinématiques et dynamiques. Les effets d'inertie sont négligés. Le cas d'un seul obstacle cylindrique et celui de deux obstacles cylindriques en interaction ont été étudiés numériquement. Les résultats concernant les zones rigides, la stabilité, la couche limite viscoplastique ont été présentés en fonction du nombre d'Oldroyd. Expérimentalement, le cas du cylindre seul a été examiné par la mesure de la traînée et la caractérisation des champs de vitesses par vélocimétrie par image de particules. Le fluide à seuil de contrainte utilisé a été l'objet d'une caractérisation rhéométrique approfondie. Les résultats expérimentaux ont permis de comparer les effets de la nature élastoviscoplastique du gel utilisé aux résultats obtenus avec des lois viscoplastiques existantes. <br />Dans un second temps, les effets d'inertie ont été pris en compte. Une étude expérimentale a été menée sur l'écoulement autour d'un obstacle cylindrique plongé dans une cuve tournante. Cette étude, complétée par une simulation numérique, a permis d'identifier l'influence de la plasticité, de la rhéofluidification et de l'élasticité sur le sillage derrière un obstacle cylindrique dans un fluide à seuil de contrainte. La zone de recirculation présente dans le régime laminaire stable et la transition entre ce régime et le régime laminaire avec détachement de tourbillons ont été spécialement examinées.

Le comportement de matériaux subissant des chargements dynamiques à hautes énergies (impacts, explosions \dots) est généralement sensible à la vitesse de déformation (viscoplastique) et/ou à l'endommagement. Les procédures classiques de caractérisation des modèles de comportement associés utilisent des essais statiquement déterminés nécessitant le respect d'hypothèses limitatrices. Ainsi, le traitement de champs mécaniques hétérogènes est impossible, ce qui limite l'exploitation des essais à de faibles gammes de déformations et oblige à réaliser plusieurs tests à vitesse de déformation constante pour la caractérisation de la viscoplasticité. Enfin, ces restrictions empêchent de profiter pleinement de la quantité importante d'information accessible par mesures de champs. Une solution est alors de recourir à des essais statiquement indéterminés, permettant d'exploiter des champs hétérogènes. Parmi les outils disponibles, la Méthode des Champs Virtuels (MCV) présente des avantages certains par rapport aux méthodes classiques de recalage par éléments finis. L'accent est mis dans ces travaux sur le développement de la MCV pour la caractérisation du modèle viscoplastique de Johnson-Cook. Un des grands atouts de la MCV est qu'elle permet de caractériser la partie viscoplastique du modèle à partir d'un unique essai en conditions de chargement dynamiques, grâce à son exploitation statiquement indéterminée de champs de déformations et de vitesses de déformations hétérogènes. Une perspective à court terme, dont la faisabilité est vérifiée sur des tests numériques, est l'identification simultanée par la MCV de paramètres de modèles élastoplastiques endommageables (Lemaitre).