Dissertations / Theses on the topic 'Déformation induite par adsorption'

Ce travail contient deux parties portant sur l'élaboration de matériaux microporeux. Dans la première partie, nous abordons la synthèse en trois étapes (dans l'ordre : polymérisation radicalaire en masse, fonctionnalisation et hyper-réticulation via une réaction d'alkylation de Friedel-Crafts) de polymères hyper-réticulés fonctionnalisés et fluorés (HCP) à partir de trois unités monomères fonctionnelles : le divinylbenzène, le chlorure de vinylbenzyl et le pentafluorostyrene. Les propriétés texturales des HCP se sont révélées fortement influencées par le rapport initial des monomères. Par conséquent, ce dernier a été optimisé afin de trouver un compromis raisonnable entre les propriétés texturales et le degré de fonctionnalisation. Une méthode de fonctionnalisation sélective, rapide et économe en énergie, la réaction para-fluoro-thiol, a été utilisée pour fonctionnaliser le cycle pentafluorobenzene avec une série de thiols accessibles, portant divers groupes chimiques (sulfonate, alkyle, amine et hydroxyle), aboutissant à des HCP fonctionnalisés avec des groupements chimiques variés. Les performances d'adsorption de CO2 à haute pression des matériaux ont été évaluées par manométrie. Les résultats ont montré les différences induites par la présence des groupements chimique à pression ambiante et ont mis en évidence l'importance des propriétés texturales, et en particulier celle du volume microporeux, envers les performances d'adsorption à haute pression, avec une contribution probable du gonflement des HCP induit par adsorption.La deuxième partie de ce travail concerne la synthèse de films de silice microporeux à partir de composés organosilane dipodaux. Après avoir évalué une série de techniques, notamment l'autoassemblage assisté par électrochimie (EASA), le dépôt par solution de Stöber et l'autoassemblage induit par évaporation (EISA), cette dernière méthode a été retenue pour produire des films uniformes et sans fissures. Ces films serviront de matériau modèle simple pour la première étape de validation expérimentale d'un modèle de poromécanique. Tout d'abord, une série de films a été élaborée à partir de cinq précurseurs organosilane dipodaux par coulée de solvant afin d'identifier les précurseurs et le protocole adaptés à l'obtention de films nanoporeux. Trois de ces précurseurs organosilane dipodaux ont permis d'obtenir des films nanoporeux avec une dispersité variable de la PSD, comme l'a révélé la porosimétrie à l'argon. En conséquence, ces derniers ont été sélectionnés pour élaborer des films minces par dépôt par trempage. Deux types de substrats ont été considérés (PVC et wafer de silicium), et la vitesse de retrait a été ajustée afin d'obtenir des films uniformes et sans fissures. Les films déposés sur wafer de silicium dans le régime de drainage ont été choisis pour réaliser des études de déformation induite par adsorption d'eau à l'aide de la porosimétrie environnementale par ellipsométrie (EEP). Au cours de quatre cycles continus d'adsorption/désorption, les résultats ont révélé que la chimisorption de l'eau entraînait un changement progressif des propriétés d'adsorption et de déformation de tous les matériaux entre les cycles. Un gonflement monotone a été observé pour deux des matériaux, tandis qu'une contraction suivie d'un gonflement, typique d'une condensation capillaire, a été observée pour un film
This work contains two parts dealing with the elaboration of microporous materials. In the first part, we address the three-step synthesis (in order: bulk radical polymerization, functionalization, and hypercrosslinking via Friedel-Crafts alkylation reaction) of functionalized fluorinated hypercrosslinked polymers (HCP) starting from three functional monomer units: divinyl benzene, vinylbenzyl chloride, and pentafluorostyrene. The textural properties of the HCPs were found to be strongly influenced by the initial monomer ratio. Therefore, the latter was optimized for a reasonable compromise between textural properties and functionalization degree. A selective, rapid, and energy-efficient functionalization route known as the para-fluoro-thiol reaction is utilized in order to functionalize the pentafluorobenzene ring with a series of widely available thiols bearing various chemical groups (sulfonate, alkyl, amine, and hydroxyl), yielding functionalized HCPs with diverse chemical moieties. The high-pressure CO2 adsorption performance of the materials was assessed using manometry. The results showed the discrepancies brought by the presence of functional groups at ambient pressure. They underlined the importance of textural properties, particularly of microporous volume, for high-pressure sorption performances, with a probable contribution of adsorption-induced swelling of the HCP.The second part of this work deals with the synthesis of microporous silica films from dipodal organosilane compounds. After assessing a series of techniques including electrochemically assisted self-assembly (EASA), Stöber solution deposition, and evaporation-induced self-assembly (EISA), the latter was chosen for producing uniform and crack-free films. These films will serve as a straightforward model material for the initial step of the experimental validation of a poromechanics model. First, a series of films have been elaborated from five dipodal organosilane precursors by solvent-casting in order to identify the suitable precursors and protocol for the obtention of nanoporous films. Three of these dipodal organosilane precursors yielded nanoporous films with variable PSD dispersity, as evidenced by Ar porosimetry. Consequently, the latter were selected to elaborate thin films by dip-coating-coating. Two types of substrates were considered (PVC and Si wafer) and the withdrawal speed was adjusted to obtain crack-free and uniform films. Films deposited on Si wafers in the draining regime were selected to conduct water sorption-induced deformation studies using environmental ellipsometry porosimetry (EEP). Over four continuous adsorption/desorption cycles, the results revealed that the chemisorption of water led to a gradual change of the adsorption and deformation properties of all the materials between the cycles. A monotonous swelling was observed for two of the materials while a contraction followed by swelling, typical of a capillary condensation, was observed for one film

Ce travail est basé sur une étude de la transformation martensitique d'alliages à structures austénitiques métastables Fe-Ni-C. La transformation austénite  martensite peut être provoquée soit par une trempe à une température inférieure à la température Ms soit par une déformation plastique à une température en dessous de la température Md. La transformation martensitique provoquée par trempe a été étudiée par deux méthodes. Une trempe a été effectuée dans un calorimètre. Une trempe directe ou une trempe étagée a été effectuée dans un bain d'alcool refroidi par l'azote liquide. Ces essais ont permis de définir la température Ms et ont montré qu'une trempe étagée rend l'austénite moins susceptible à la transformation martensitique, provoquant ainsi un abaissement de la température Ms. La transformation martensitique induite par déformation plastique a été quantifiée à l'aide d'essais de traction. Les propriétés mécaniques obtenues ont été étudiées en fonction de la composition chimique, de la température d'essai et de la vitesse de déformation. Les crochets observes sur les courbes de traction correspondent au phénomène Portevin - Le Chatelier. Ils ont été observés tant dans la structure austénitique que dans la structure austénito-martensitique. Pour les alliages dont le pourcentage en carbone est compris entre 0,20 et 0,52% et dans l'intervalle de températures d'essai compris entre Ms+25 et Ms+60, nous avons observé que ces alliages possèdent des caractéristiques de déformation exceptionnelles. Cette déformation est la manifestation mécanique de l'effet TRIP ; celui-ci dépend peu de la vitesse de déformation. L’enthalpie exothermique mesurée suite à la transformation martensitique de trempe et l'énergie due à la transformation martensitique induite par déformation plastique à une température très proche de Ms (T= Ms+5), sont équivalentes jusqu'a 60% de martensite formée. Au delà de ce pourcentage, l'énergie due à la transformation martensitique au cours de la déformation plastique devient supérieure à celle nécessaire à cette transformation lors de la trempe. Cet écart est du, d'une part a la déformation plastique de la martensite créée, et d'autre part, pour les températures ou l'effet TRIP a lieu, à l'effet TRIP.

Trois techniques non destructives ont été appliquées au suivi de la transformation par plasticité cyclique de l'austénite en martensite dans l'acier inoxydable austénitique 304L : les mesures ultrasonores, les courants de Foucault et l'émission acoustique. Elles ont été complétées par des observations métallographiques et étalonnées par rapport à des mesures quantitatives en diffraction des rayons X. Dans le régime de fatigue olicyclique étudié (ouverture de cycle de fatigue de 0,5 %, durée de vie de l'ordre de 1000 cycles), un pourcentage significatif de martensite se forme. Mais sa répartition spatiale est hétérogène : formation précoce dans les coins d'éprouvettes de traction à section rectangulaire, puis près des surfaces libres et enfin beaucoup plus lente à coeur. Dans ces conditions, les mesures globales aux ultrasons sont peu sensibles : elles détectent simplement l'endommagement en fin de vie via l'augmentation de l'atténuation. En revanche, une mesure locale por courants de Foucault est sensible à la transformation martensitique et la décrit quantitativement à l'échelle de la sonde. L'émission acoustique est une mesure globale d'un grand nombre d'événements locaux : plasticité, endommagement (par microfissuration), transformation martensitique. Trois classes de salves ont été séparées et attribuées à chacun des événements. En particulier, il est possible de distinguer l'endommagement de la transformation martensitique ainsi mesurée est cohérente avec les mesures par courants de Foucault. L'intérêt d'un recoupement de ces techniques non destructives est ainsi démontré, de même qu'il l'avait été au préalable sur un échantillon de béton en utilisant cette fois les ultrasons et l'émission acoustique
Three different non-destructive evaluation techniques have been applied to the monitoring of cyclic-strain-induced martensitic transformation in austenitic stainless steel 304L, namely ultrasonic measurements, eddy current characterisation and acoustic emission. They have been backed up by metallographic observations and made quantitative by comparison with X-ray diffraction measurements. In the low-cycle fatigue that was studied (cyclic strain 0. 5 %, fracture in about 1000 cycles), a significant amount of martensite is formed. But it is heterogeneously distributed: early transformation in the corners of rectangular-section tensile specimens, slower transformation close to the flat free surfaces and even slower in bulk. Considering this heterogeneity, global ultrasonic measurements are not adapted: they only detect damage through an increase of attenuation. On the other hand, local measurements with an eddy current probe proved sensitive to the martensitic transformation and even quantitative. Acoustic emission is a global collection of the local bursts in the sample, that can be caused by plasticity, damage growth (microcracks) and martensitic transformation. Three classes were sorted and attributed to each of these phenomena. It is possible to distinguish damage from martensitic transformation, and the rate of transformation is consistent with the one evaluation by eddy currents on the same sample. The interest and potential of a combination of these non-destructive techniques has therefore been demonstrated, as it had been on a previous concrete sample using ultrasounds and acoustic emission

Les aciers inoxydables duplex présentent une combinaison intéressante entre des propriétés mécaniques élevées, une faible conductivité thermique et un coût relativement faible. Ils sont couramment employés dans le domaine du bâtiment comme rond à béton, application qui requière notamment une résistance élevée (Rm > 950 MPa) et une ductilité importante (A% > 15). Cette thèse a pour objectif d’améliorer le compromis résistance / allongement, en développant de nouvelles nuances duplex présentant une transformation martensitique induite par la plasticité (effet TRIP) aux caractéristiques contrôlées. L’optimisation de ce compromis a nécessité en particulier une compréhension détaillée des mécanismes de transformation et de déformation plastique associés à chaque phase : la ferrite (BCC), l’austénite (FCC) et la martensite (BCC).L’influence de la transformation martensitique sur le comportement mécanique est étudiée pour quatre alliages duplex de stabilité variable de la phase austénitique en fonction de leur composition chimique. L’influence d’une microstructure multiphasée sur la cinétique de transformation est déterminée grâce à l’élaboration de trois nuances modèles représentant respectivement une nuance duplex et es deux compositions représentatives de ses constituants austénite et ferrite. L’utilisation de plusieurs techniques de caractérisation à différentes échelles a permis de décrire à la fois les mécanismes de transformation de phase et leur cinétique en fonction de la déformation, donnant ainsi accès à leur influence sur le comportement mécanique. L’étude des champs cinématiques a mis en évidence l’impact de la phase martensitique sur la répartition des déformations dans la microstructure multi-phasée. Finalement l’utilisation d’un modèle mécanique prenant en compte explicitement la transformation martensitique a permis de reproduire le comportement mécanique d’un alliage duplex
Duplex stainless steels offer an attractive combination of high mechanical properties, low thermalconductivity and a relatively low cost. They are increasingly used as structural materials such as inthe construction sector as concrete reinforcement bars, where both high strength (Rm > 900 MPa)and high elongation to failure (A% > 15 %) are required. This thesis aims at improving the strength/ elongation compromise by developing new duplex stainless steel compositions experiencing a wellcontrolledmartensitic transformation induced by plasticity (TRIP effect). The optimisation of thiscompromise has required a good understanding of the transformation mechanisms and of plasticdeformation associated with each phase : ferrite (BCC), austenite (FCC) and martensite (BCC).The influence of martensitic transformation on mechanical behavior has been studied in four duplexgrades of variable austenite stability as a function of their chemical composition. The influence ofmultiphase microstructure on martensitic transformation kinetics has been determined by makingthree alloys respectively representative of a duplex grade and its two constituents (austenite andferrite). Using multiple characterization techniques at different scales has allowed determiningboth the transformation mechanisms and its kinetics as a function of strain, giving thus accessto the influence of transformation on the mechanical behavior. The study of kinematic fields hashighlighted the impact of the martensitic phase on the distribution of deformations. Finally, theuse of a mechanical model taking explicitly into account the phase transformation has allowed theduplication of the mechanical behavior of a duplex stainless steel

Dans le cadre d'un programme de recherche visant à l'allègement de la structure des véhicules, l'origine de lignage dans des tôles en aluminium AA6016 a été étudiée. Ce phénomène, qui peut apparaître à la suite d'une déformation plastique, est apparenté à de la rugosité de surface alignée dans la direction de laminage (DL). Sa présence est néfaste à une bonne finition de surface, et son intensité est appréciée visuellement par les fabricants.Une méthode de quantification rationnelle a été développée. La caractérisation de la distribution morphologique des motifs de rugosité a été rendue possible par l'utilisation de fonctions fréquentielles telle la densité de puissance spectrale. La note globale, construite à partir de la quantification individuelle des composantes de lignage pur et de rugosité globulaire, s'est montrée en bon accord avec les estimations visuelles, et notamment avec le niveau de lignage intermédiaire regroupant plusieurs aspects de surface différents.La microstructure des matériaux à l'état T4 a été expérimentalement mesurée couche de grains par couche de grain à l'aide d'un couplage entre polissage contrôle et acquisition par EBSD. Les 4 à 5 premières couches sous la surface (-120μm) semblent jouer un rôle mécanique prépondérant dans la formation du lignage car elles offrent à la fois une grande taille de grains moyenne, une importante ségrégation d'orientations cristallines, et une forte similitude de longueurs d'onde entre la rugosité de surface et les motifs de la microtexture.Des simulations numériques ont permis de vérifier que les couples de texture identifiés (Cube/Goss, Cube/Aléatoire et Cube/CT18DN) possédaient des différences d'amincissements hors-plans suffisantes pour générer l'ondulation d'une couche d'éléments. En revanche, l'influence mécanique de cette même couche décroit très rapidement avec son enfouissement dans la profondeur et devient négligeable sous plus de 4 couches d'éléments.

L’objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension et à la modélisation de la cristallisation induite. Le phénomène est caractérisé pour deux matériaux : le PET et le caoutchouc naturel réticulé. Les conditions favorables au phénomène, de type caoutchoutique sont déterminées par analyses calorimétriques et spectroscopiques. La microstructure qui se développe au cours de la déformation est observée par diffraction des rayons X.Le PET est déformé en traction uni- et biaxiale. Une partie des étirages est suivie d’une relaxation des contraintes, une autre est suivie d’une trempe rapide. Il ressort de l’étude que l’étirage du PET dans ces conditions n’aboutit pas à l’obtention d’un cristal PET avec toutes les périodicités qui lui sont propres.Le caoutchouc naturel est déformé en traction uniaxiale et en cisaillement précédé d’un étirage uniaxial. En cisaillement, la phase cristalline obtenue au cours du pré-étirage ou du cisaillement tourne et tend à s’orienter comme les directions des déformations principales mais avec un retard angulaire. L’extension principale est utilisée pour étudier la phase cristalline obtenue pour les différents modes de sollicitation.Un modèle de comportement visco-hyperélastique, décrit dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles, est étendu afin de reproduire le durcissement mécanique lié au développement d’une phase organisée/cristalline. Le modèle permet de reproduire les différents comportements mécaniques observés expérimentalement
The present PhD thesis aims at a better understanding and modeling of strain-induced-crystallization. The phenomenon is characterized for two polymers: PET and crosslinked natural rubber. Strain conditions leading to strain-induced-crystallization are determined by thermal and dynamic mechanical analysis. The developing microstructure is observed by X-ray scattering.The PET is stretched in uni- and biaxial tension. A part of samples is rapidly quenched after stretching and another is submitted to a stress relaxation after stretching. The studies demonstrate that the stretching of PET does not enable the formation of a complete PET crystal with all its own families of planes.The crosslinked natural rubber is stretched in uniaxial tension and in shear preceded by uniaxial stretching. In shear, the crystalline phase, appeared during the pre-stretching or during the shear rotates and has a tendency to orient as the directions of the principal strains. The principal elongation is used to compare the crystallization under the different stresses.A constitutive modeling for visco-hyperelastic behaviors, in a complete thermodynamics framework of irreversible processes, is extended in order to reproduce le mechanical hardening related to the development of an organized/crystalline phase. The modeling successes in reproducing the experimental behaviors in uploading/unloading for various strain conditions

Ce travail est consacré à la photochimie laser de l'ammoniac en surface du silicium afin de comprendre les premières étapes de la croissance de couches minces de nitrure de silicium assistée par rayonnement. A cette fin, les effets d'un faisceau laser UV (^=355 nm, ?=4,1 ns) ont été étudiés sur des surfaces de silicium à température ambiante avant, pendant et après des expositions à de faibles quantités d'ammoniac (p<10-8 mbar). Pour caractériser les phénomènes physico-chimiques en surface, nous utilisons des diagnostics laser (désorption laser couplée à la photoionisation laser et à la spectroscopie de masse), la spectroscopie des électrons Auger (AES), la microscopie (électronique et optique) et la profilométrie (mécanique ou optique). L'irradiation d'une surface de silicium avec de faibles énergies laser induit des modofocations de surface qui s'accompagnent de la désorption d'atomes neutres et ionisés de Si. Deux populations distinctes d'atomes de Si sont émis de la surface. La première, caractérisée par une énergie cinétique indépendante de l'énergie laser (E=0,043 eV), provient de mécanismes d'origine électronique. La deuxième, caractérisée par une cinétique qui dépend de l'énergie laser, correspond à un processus thermique en surface. L'énergie cinétique de ces espèces est alors équivalente à une température de surface au moment de leur éjection. Lors de l'exposition du silicium à l'ammoniac, les molécules de NH3 s'adsorbent spontanément à température ambiante et ne se dissocient que partiellement en surface. Selon l'état de surface, le premier degré de dissociation (NH3-NH2+H) est soit spontané, soit activé par les irradiations. Dans les deux cas, les radicaux NH2 sont liés à Si et forment des liaisons Si-NH2. Selon les énergies laser, les molécules Si-NH2 sont soit désorbées, soit dissociées en Si-NH. Plus l'énergie laser est importante plus cette voie de dissociation devient prépondérante.

Le sujet de la thèse est l'étude de la dégradation des caractéristiques élastiques d'une roche fragile induite par le chargement. En particulier on s'intéresse à l'anisotropie induite et à son influence sur le caractère fragile de la rupture. L'étude présente le développement d'un modèle de comportement approprié à ce phénomène, une étude expérimentale pour l'étalonnage et la validation du modèle et enfin une application à un problème aux limites particulier représentant l'étude de la rupture d'un cylindre creux et d'une excavation souterraine profonde. Le cadre théorique utilisé est celui de la mécanique de l'endommagement continu. Le modèle développé est caractérisé par un tenseur de vitesse d'endommagement anisotrope d'ordre deux. Les lois d'évolution des trois composantes du tenseur d'endommagement sont obtenues expérimentalement à partir d'essais de compression triaxiale. Les essais ont été réalisés sur deux roches d'origine sédimentaire : une calcarénite italienne, la pietra leccese, et un grès français, le grès de Rothbach. L'influence des conditions de réalisation des essais (élancement des échantillons, frettage ou lubrification des bases des échantillons) a été étudiée. Nous avons simulé le comportement d'un cylindre creux et d'une cavité cylindrique soumise à un état de contraintes isotrope à l'infini. Les résultats de cette simulation numérique ont montré que plus l'anisotropie induite est forte, plus le comportement de la roche est fragile et plus élevé est le nombre de stabilité.

Ce travail souligne l'interet de connaitre et comprendre l'evolution structurale de polymeres semi-cristallin afin de mieux maitriser leur deformation et d'ameliorer les procedes de mise en forme a l'etat solide. L'etirabilite et la bietirabilite des copolymeres ethylene / alcool vinylique (evoh) et du polyamide 6 (pa6), qui ont la particularite de posseder des interactions de type hydrogene, ont ainsi ete etudiees en relation avec les transitions de phase induites thermiquement et mecaniquement. Un changement structural de type ordre-desordre apparait dans les evohs au cours de la deformation plastique au-dessous d'une temperature critique de 110c. La structure mesomorphe hexagonale resultante semble provenir d'une accumulation de defauts de plasticite bloques dans la phase cristalline aux temperatures inferieures a la relaxation cristalline lors du glissement de chaines. Au-dessus de 110c, le polymere conserve sa structure monoclinique et se fissure dans la direction principale d'orientation moleculaire empechant la deformation plastique. La modification de la structure en feuillets par suite de la redistribution des liaisons hydrogene de facon aleatoire autour des chaines de la phase mesomorphe inhibe le phenomene de fissuration a basse temperature. Dans le pa6, qui presente 3 structures cristallines differentes, il a ete observe au contraire une transition desordre-ordre. Une modification structurale graduelle de la forme mesomorphe en forme est induite thermiquement et mecaniquement au-dela de 120c. Une transition de phase de en peut aussi se produire avec la deformation. Ces transformations ont ete attribuees a l'extension des chaines de la conformation helicoidale des formes et a la conformation zigzag planaire de la forme. Pour ameliorer l'etirage, il est donc preferable de limiter la transformation structurale dans la forme la moins ductile. Le bietirage a ainsi ete realise avec succes a 120c.

L'objectif de ce travail est d'étudier les phénomènes de déformation photo-induite de matière dans les films minces polymères incorporant des molécules d'azobenzène. Cette étude s'appuie sur une expérience originale qui consiste à observer in-situ la cinétique de formation d'un réseau de surface sous illumination du film photochromique par une figure d'interférence. L'observation est basée sur l'utilisation de techniques couplées de microscopie à sonde locale qui permettent de corréler la morphologie photo-induite et la distribution du champ électromagnétique avec une résolution très inférieure au pas du réseau. Cette étude, menée en fonction de la polarisation de la lumière et de l'épaisseur des films, démontre qu'au moins quatre mécanismes microscopiques interviennent dans la déformation photo-induite des azo-polymères : la réorientation optique des photochromes, la réorganisation locale de la matrice, le transport dirigé de matière, le photo-blanchiment. La contribution de ces différents mécanismes est plus particulièrement révélée par l'existence de deux phénomènes observés pour la première fois. D'une part, la cinétique de déformation présente une transition entre deux régimes, l'un, au temps court, en phase avec l'excitation lumineuse et l'autre, au temps long, en opposition de phase. D'autre part, la morphologie des réseaux photo-induits dépend de façon spectaculaire de l'épaisseur des couches. L'ensemble des résultats obtenus apporte un nouvel éclairage sur certaines observations expérimentales antérieures, parfois contradictoires, notamment sur la différence entre les réponses d'un même matériau à une excitation optique en champ proche et champ lointain
The main goal of this PhD work is to study photo-induced matter deformation phenomena in thin polymeric film containing azobenzene moieties. This study is based on the in-situ observation of surface relief gratings kinetic of formation under illumination by an interference pattern. The observation relies on a coupled microscopy technique, allowing to correlate photo-induced morphology with the electromagnetic field distribution, with a resolution better than the lattice pitch. The study as a function of the light polarisation and of the film thickness shows that four microscopic mechanisms are involved in the photo-induced deformation of the azo-polymer: the optical reorientation of chromophore, the local reorganization of the matrix, oriented matter transport and the photobleaching. The contribution of these different mechanisms is evidenced by two phenomena observed for the first time. First, the kinetic of deformation presents a transition between two regimes, one, at short time, in phase with the light excitation, the other, at longer time, in opposition of phase. Second, the morphology of the induced relief grating depends strongly on the film thickness. This PhD work shed light on previous and somehow contradictory results, in particular in term of response of azo-polymer films at an excitation in near filed and far field optics

Cette thèse propose de nouvelles méthodes de caractérisation de la cristallisation induite par l'écoulement des polymères semi cristallins. Des mesures rhéo-optiques ont d'abord permis de suivre les différents changements de microstructure durant la cristallisation à partir de l'état fondu. Celle-ci cristallisation se développe en trois étapes différentes: une nucléation, une phase de croissance isotrope et une deuxième phase où la croissance devient anisotrope. Cette étude a permis de vérifier que les mesures optiques sont capables de caractériser la cristallisation. Cependant, ce type de mesure n'est pas capable de différencier quantitativement les différentes phases du polymère. Nous nous sommes alors intéressés à la diffraction de rayons X afin d'obtenir cette différenciation de manière quantitative. Nous avons réalisé des essais de traction sur des polymères à l'état caoutchoutique et observé en temps réel l'évolution de leurs phases cristallines. La comparaison avec le comportement mécanique montre que le durcissement généralement observé pour ces polymères semi cristallins provient essentiellement de l'étirement des chaînes amorphes entre les cristallites. La même géométrie de déformation a été utilisée pour effectuer des mesures des propriétés optiques lors de la cristallisation à partir de l'état caoutchoutique. La correlation de ces mesures avec la diffraction X permet de differencier la contribution de chaque phase du polymère
We propose in this thesis new methods to characterize the shear induced crystallization that occurs during semi-crystalline polymers processing. Rhéo-optical measurements allowed us to follow the different changes of microstructure during the crystallization of a polymer submitted to a temperature jump from molten state. We can distinguish three different crystallization stages: a nucleation, a first isotropic growth phase and a second phase where the growth becomes anisotropic. We showed that the optical measurements are able to characterize crystallization, and are even more sensitive than traditional rheological measurements. However, this type of measurement is not able to differentiate quantitatively the different polymer phases. We used then the x-rays diffraction in order to obtain this differentiation in a quantitative way. We carried out tensile tests on polymers in rubbery state and observed in real time the evolution of their crystalline phases using a synchrotron x-ray beam. The comparison with the mechanical behaviour shows that the hardening generally observed for these semi crystalline polymers comes essentially from amorphous chains stretching between crystallites. Deformation rate effect on the kinetic of crystallization kinetic was also studied. The same geometry of deformation was used to carry out measurements of the optical properties during the crystallization starting from rubbery state. The evolutions of turbidity, birefringence and dichroism were thus correlated with stress state in the polymer. The results obtained by X-rays diffraction were combined in order to differentiate the contribution from each phase of polymer

Dans le cadre de la production d'eau potable, les procédés membranaires, qui éliminent les microorganismes de l'eau brute par rétention sur une barrière physique sélective, apparaissent comme des procédés alternatifs ou complémentaires des techniques conventionnelles de désinfection. Cependant, la structure poreuse des membranes de filtration peut présenter des imperfections susceptibles de permettre le passage de bactéries. L'impact de ces défauts sur la rétention bactérienne dépend notamment des caractéristiques géométriques de ceux-ci. A savoir que tant que la peau sélective de la membrane n'est pas altérée dans toute son épaisseur, la membrane conserve une efficacité identique à celle d'une membrane intègre. Quant au support macroporeux, il participe également à la rétention et limite le transfert de bactéries jusqu'au perméat. Par ailleurs, lorsque le diamètre des défauts est proche des dimensions des bactéries filtrées, les mécanismes de sélectivité basés sur l'exclusion par la taille sont mis en défaut du fait de l'aptitude à la déformation de ces microorganismes. Cette déformabilité est gouvernée par les caractéristiques structurales de la paroi bactérienne (épaisseur et élasticité de la couche de peptidoglycane), ce qui conduit à une différence de comportement en filtration entre les bactéries à Gram positif et à Gram négatif. Ainsi, les bactéries à Gram positif qui possèdent une couche de peptidoglycane plus épaisse s'avèrent moins déformables et donc mieux retenues que les bactéries à Gram négatif. Sur la base de ces mécanismes, une méthode de caractérisation des membranes dont le champ d'application en terme de diamètre de pores ou de défauts recouvre la gamme de 0,05 à 1,2 µm a été proposée
In the context of potable water production, membrane processes, which eliminate microorganisms from the raw water by retention upon a selective physical barrier, appear as alternative or complementary processes to the standard disinfection practices. However, the porous structure of filtration membranes can present imperfections likely to allow bacteria to pass through. The impact of such defects upon bacterial rejection depends on their geometrical characteristics. Namely, as long as the selective skin is not altered through its whole thickness, the altered membrane keeps a retention efficiency equivalent to the one of an uncompromised membrane. As for the macroporous support, it is also involved in the rejection and limits the bacterial transfer to the permeate. Moreover, when the defect diameter is close to the filtered bacteria size, selectivity mechanisms based on size exclusion are disrupted due to the deformation capabilities of those microorganisms. This deformability is governed by the structural characteristics of the bacterial cell-wall (peptidoglycan layer thickness and elasticity), which leads to different behaviour in filtration between Gram-positive and Gram-negative bacteria. So, Gram-positive bacteria which have a thicker peptidoglycan layer are less deformable and thus better retained than Gram-negative bacteria. Based on these mechanisms, a membrane charactrization method, the scope of which in terms of pore or defect diameter ranges from 0. 05 to1. 2 µm, was proposed

Cette thèse caractérise un acier Moyen Mn à 0.2C-5Mn-2.5Al qui montre un écrouissage très fort au cours de la déformation plastique dû à l’effet TRIP. Pendant TRIP, l’austénite résiduelle paramagnétique se transforme en martensite ferromagnétique sous déformation plastique, ce qui conduit à un fort écrouissage. Le taux de cet écrouissage dépend des paramètres de fabrication et surtout la température de recuit intercritique. Ces aciers ont aussi des fois le tendance de se déformer de façon hétérogène par des bandes de Lüders ou PLC.Dans cette thèse, une méthode de caractérisation de la cinétique de transformation de phase est développée sur la base des mesures de l’aimantation saturée de l’acier. La méthode magnétique est unique dans son implémentation in-situ sans aucun effet sur l’essai de traction. Une correction pour les effets de la contrainte appliquée sur l’aimantation est aussi introduite pour la première fois avec une base physique. Les résultats des mesures magnétiques ont été comparés contre des caractérisations des bandes de déformation pour montrer que la transformation de phase coïncide avec le passage des bandes de déformation. La sensibilité à la vitesse de déformation est analysée et une caractérisation de la présence et type de bande PLC est présentée en fonction de la cinétique de transformation de phase
This thesis studies the mechanical behavior of a 0.2C-5Mn-2.5Al Medium Mn steel that exhibits a very high degree of work hardening due to transformation-induced plasticity (TRIP) during plastic deformation. During TRIP, paramagnetic retained austenite is transformed to ferromagnetic martensite with the application of plastic strain and generates a significant amount of work hardening. The rate of work hardening is seen to vary greatly depending on processing parameters—notably the intercritical annealing temperature. These steels also often deform heterogeneously through the propagation of Lüders or PLC strain bands.This research develops a method to characterize the kinetics of the TRIP effect through measurements of the samples magnetic properties. The method is novel in that it is performed in-situ with no effect on the tensile test and is able to correct for the effects of the applied stress on the magnetic properties. The results of these experiments were compared to characterizations of the strain bands to demonstrate that TRIP coincides with the passage of a Lüders or PLC band. The strain rate sensitivity of the steels is analyzed and the presence and type of PLC bands are characterized with respect to the transformation kinetics

Les matériaux ultra-mous présentent des caractéristiques de déformation et de fracture différentes de celles des matériaux mous ordinaires, en raison des effets anticipés de leur tension superficielle et de leur hétérogénéité de structure. Dans ce contexte, nous avons systématiquement étudié les propriétés de fracture d’hydrogels ultra-mous en utilisant des méthodes de ponction et de cavitation. Pour le polyacrylamide, le PDMS et le carraghénane, la résistance à la fracture est dominée par l'élasticité non linéaire au-dessus de l'échelle de longueur élasto-capillaire. En-dessous cette échelle spécifique, la résistance à la fracture augmente puisque la capillarité joue un rôle dans le début de la fracture. En synthétisant des hydrogels de poly(alcool vinylique) (PVA) à faible degré d'hydrolyse à partir de deux voies de percolation (percolation de liens et percolation de site), nous avons découvert que les gels formés par percolation de site, étudiés par diffusion dynamique de la lumière, possèdent une plus forte hétérogénéité de structure et entraînent une plus faible résistance à la fracture. Étonnamment, une cristallisation extrême induite par déformation pendant la ponction a été observée dans l'hydrogel de PVA avec un degré d'hydrolyse élevé. En effet, le réseau de cet hydrogel est renforcé localement autour de la pointe de l'aiguille et déplace le point d'initiation de la fissure de la pointe de l'aiguille vers le bord. Cette structure anisotrope donne lieu à une cavité sphérique irrégulière dans la méthode de cavitation et augmente significativement son énergie de fracture. En outre, nous avons constaté que l’augmentation de la masse moléculaire, l'ajout d'un tensioactif ou le dépôt d'une couche d'huile en surface augmentent chacun la résistance à la fracture de l’hydrogel. Enfin, nous avons mis au point une nouvelle technique optique : l'imagerie par corrélation de photons, qui permet de déterminer quantitativement la distribution des déformations en compression et en tension autour de l'aiguille. Ces nouvelles connaissances et avancées méthodologiques fourniront des informations utiles pour la conception de matériaux souples mais résistants aux fractures, et de robots assistant chirurgicaux dans les applications médicales
Ultra-soft material exhibits different deformation and fracture characteristics compared to common soft material due to anticipated surface tension effects and structural heterogeneity. To this end, we systematically investigated fracture properties of ultra-soft hydrogels using puncture and cavitation methods. For soft polyacrylamide, PDMS, and carrageenan, fracture resistance is dominated by the non-linear elasticity above the elasto-capillary length scale. Below this particular scale, fracture resistance is improved since capillarity must play a role in the onset of fracture. By synthesizing poly(vinyl alcohol) (PVA) hydrogels with low hydrolysis degree from two percolation paths (bond-percolation and site percolation), we discovered that gels formed by site-percolation possess stronger structural heterogeneity studied via dynamic light scattering and thus result in lower fracture resistance. Surprisingly, an extremely large strain-induced crystallization during puncture was discovered in PVA hydrogel with high hydrolysis degree, which locally reinforces the network around the needle tip and displaces the crack initiation point from the needle tip to the edge. This anisotropic structure results in an irregular spherical cavity in the cavitation experiment and largely improves its fracture energy. In addition, we found that increasing the molecular weight, adding surfactant, and placing an oil layer on hydrogel surfaces could each increase their fracture resistance. In the end, we developed a novel optical technique - photon correlation imaging - in which compression and tension strain distribution around the needle is quantitatively revealed. These new insights and methodological advances will provide useful information to design soft but fracture-resistant materials and surgical assistant robots in medical applications

La cristallisation induite par déformation des élastomères est un processus cinétique qui conduit à la formation de nano-cristallites thermodynamiquement stables. La présence de ces nano-cristallites au sein de la phase amorphe modifie considérablement les propriétés mécaniques des élastomères cristallisables. Ces élastomères ont en effet la propriété intéressante d'être auto-renforçants. L’objectif de ce travail est de développer un modèle physique capable de décrire localement l’évolution de la microstructure sous l’effet d’un champ de contrainte élastique durant la cristallisation. Dans ce but, un modèle de champ de phase est élaboré et mis en œuvre dans le cadre de la mécanique des milieux continus en couplant thermodynamique et mécanique avec une dynamique de transition de phase d’Allen-Cahn. La description thermodynamique de la cristallisation induite par déformation à petite échelle est basée sur la fonctionnelle d’énergie libre du système amorphe-cristal. Les conséquences du choix de cette formulation sont discutées, on étudie en particulier les effets de contraintes élastiques sur l’équilibre des phases en volumes ainsi que sur la cinétique de croissance des domaines cristallins au sein de l’amorphe. L’introduction de l’élasticité du réseau des contraintes topologiques induite par les enchevêtrements et/ou les nœuds de réticulation dans le modèle de champ de phase a permis de mettre en évidence l’existence d’un état stable de cristallites formées (modèle énergétique) mais aussi des instabilités de croissance (modèle cinétique). Sur la base de ces deux modèles, cinétique et énergétique, nous avons étudié systématiquement l’influence des contraintes topologiques sur la cinétique de croissance et nous montrons que cette cinétique est en effet contrôlée par l’accumulation de contraintes élastiques à l’interface. La prise en compte de l’élasticité du réseau des contraintes topologiques dans l’approche thermodynamique de cristallisation prédit une augmentation de la tension de surface et par conséquent un arrêt du mécanisme de croissance en donnant lieu à la formation de cristallites stables. Enfin, nous avons adopté le modèle énergétique pour modéliser le couplage entre nucléation, croissance et déformation cyclique. Pour valider le modèle local proposé une comparaison entre les résultats des simulations par champ de phase et les données expérimentales issues de la caractérisation d’un caoutchouc naturel réticulé est effectuée et nous montrons qualitativement l’accord entre l’expérience et le modèle
Natural rubber NR and more generally elastomer presents unique physical properties that are very important for many engineering applications. Strain induced crystallization of elastomer presents a major interest because it improves considerably the mechanical properties. In fact, the presence of crystallites within the amorphous phase in a polymer network induces a strengthening of this material, giving NR a self-reinforcement character. In this thesis, we develop a mesoscopic model to describe the crystallization of elastomers under strain. In this context, we present a kinetic model using a new physical approach: a phase field model. This model combines the crystallization thermodynamics with the local stress field. The thermodynamic description of the phase transition is based on a Gibbs free energy functional F which contains all energy contributions of the system: the bulk contributions (enthalpy and entropy) and surface tension. To understand the experimental observation of nanometer size crystalites, an explicit account of the topological constraints induced by both entanglements and/or crosslinks is necessary. We investigated two limiting mechanisms, a kinetic limitation of the growth, and an energetic limitation. Based on both the kinetic and the energetic approaches, we have systematically studied the influence of topological constraints on the growth process. We have shown that the growth process is affected by the accumulation of elastic stress at the interface. The kinetic model predicts the existence of instabilities during the growth. These instabilities induce a heterogeneous dynamical growth which leads to the formation of dendrite like structures. On the contrary, the energetic approach predicts an exponential increase of the surface tension during the growth that limits the size of the crystallites very efficiently. In the last part we investigated elastomer crystallization under cyclic deformation. To this end, we coupled the previous energetic model with the nucleation process. Finally the simulation data are compared with experimental measurements

Les alliages à mémoire de forme ferromagnétique (FSMAs) possèdent la capacité d’accommoder une large déformation réversible à haute fréquence à l’aide d'une réorientation de la martensite induite par un champ magnétique. Cependant, cette réorientation à haute fréquence induit un frottement au niveau des interfaces entre les variantes de martensite provoquant une dissipation et par suite une élévation significative de la température dans le matériau, ce qui pose des problèmes d'instabilité nuisant à la performance du comportement dynamique des FSMAs. En particulier, l'amplitude de la déformation induite par le champ magnétique est réduite de façon significative lorsque l’augmentation de la température est suffisante pour déclencher la transformation de phase martensite-austénite. Un tel effet thermique sur les réponses dynamiques de FSMA n'a pas encore été étudié dans la littérature où la plupart des expériences dynamiques existantes ont été réalisées sur une courte période de temps (quelques secondes) afin d’éviter la variation de la température.Le but de cette thèse est l’analyse et la modélisation de ce phénomène. Pour ce faire, des analyses expérimentales et théoriques multi-échelles des performances des FSMAs soumis à un champ magnétique de longue durée et à haute fréquence sont réalisées.Tout d’abord, des expériences systématiques d'actionnement magnétique de longue durée (> 100 secondes) sur une éprouvette en monocristal Ni-Mn-Ga sont effectuées à différents niveaux de la fréquence du champ magnétique, de la contrainte de compression initiale et du flux d'air ambiant (échange de chaleur) afin d’étudier leur influence sur la réponse des FSMAs. Par ailleurs, un modèle unidimensionnel de transfert de chaleur a été est développé permettant d’interpréter les nouveaux phénomènes liés aux effets thermiques mises en lumière expérimentalement. Ainsi, les conditions nécessaires à l’obtention d’une réponse dynamique stable ont été déduites. De plus, afin de comprendre la dépendance de la déformation nominale induite par le champ magnétique par rapport aux échanges thermiques à partir d'une analyse microscopique, la distribution/évolution de la déformation locale ainsi que la transformation/réorientation associée parmi les différentes phases/variantes au cours de l'actionnement à haute fréquence sous divers conditions d'échange de chaleur sont analysées via des observations in-situ à l’aide la corrélation d'images numériques (DIC). Un nouveau mécanisme est ainsi révélé : le mouvement des interphases induit par la variation de température (transformation de phase) et le mouvement des variantes de martensite induit par le champ magnétique (réorientation de martensite) peuvent être activés simultanément, sous l'actionnement magnéto-thermique-mécanique (i.e, le champ magnétique à haute fréquence, la force de ressort mécanique et le flux d'air ambiant) dans la mesure où le matériau peut auto-organiser les fractions volumiques des différentes phases/variantes afin de satisfaire toutes les conditions aux limites thermo-magnéto-mécaniques. En outre, la morphologie des bandes de déformations et des différentes phases/variantes auto-organisées est révélée et expliquée à l’échelle microscopique à l’aide des conditions de compatibilité géométrique
Ferromagnetic Shape Memory Alloys (FSMAs) have ability to provide large high-frequency reversible strain via magnetic field-induced martensite reorientation. But, the high-frequency frictional twin boundary motion of the martensite reorientation can induce a rapid accumulation of dissipation heat and cause a significant temperature rise in the material, which poses instability problems about the dynamic performance of FSMA. Particularly, the output strain amplitude would be reduced significantly when the temperature increases to be high enough to trigger the Martensite-Austenite phase transformation. However, such thermal effect on the dynamic responses of FSMA has not yet been investigated in literature where most existing dynamic experiments were performed only for a short-time period (a few seconds) to avoid the temperature variation. In this thesis, multi-scale experimental and theoretical analyses of the long-time performance of FSMA under high-frequency magnetic actuation are performed. Systematic experiments of the long-time magnetic actuation (> 100 seconds) on a Ni-Mn-Ga single crystal bar are conducted at various levels of magnetic field frequency, initial compressive stress and ambient airflow (ambient heat-exchange efficiency) to investigate their influences on the stable state of the high-frequency FSMA-actuator. A one-dimensional heat-transfer model is developed and the new experimental phenomena of the thermal effects are well understood. Based on the experimental results and theoretical analysis, critical conditions to achieve the large and stable output strain amplitude in the high-frequency actuation are derived. Moreover, to understand the heat-exchange dependence of the output nominal-strain from a microscopic view, the local strain distribution/evolution and the associated transformation/reorientation among the different phases/variants during the high-frequency actuation under various heat-exchange efficiencies are demonstrated via the in-situ Digital Image Correlation observations. A novel mechanism is revealed: the temperature-driven phase boundary motion (phase transformation) and the magnetic field-driven twin boundary motion (martensite reorientation) can be activated at the same time under the magneto-thermal-mechanical actuation (i.e., the high-frequency magnetic field, the mechanical spring force and the varying ambient airflow) as the material can self-organize its volume fractions of the different phases/variants to satisfy all the thermo-magneto-mechanical boundary conditions. Further, the self-organized morphology/pattern composed of various variants and phases during cyclic deformation (with the moving habit plane and twin boundaries) can be explained by microstructure compatibility analyses

L’optimisation des gammes d'usinage n’est pas aisée, car elle souffre de deux lacunes importantes. La première est axée sur l'adaptabilité des gammes existantes aux moyens actuels de production et à leurs évolutions au fil des années pour répondre aux évolutions technologiques. Le second point concerne, l’absence de prise en compte du comportement mécanique de la pièce durant l'usinage dans l'élaboration de la gamme. Ces travaux de thèse abordent ces problématiques dans le cadre du projet FUI OFELIA. Ils étudient, dans un premier temps l'influence de la gamme d’usinage sur la déformation de la pièce. L'objectif est de pouvoir prédire le comportement mécanique de la pièce pour identifier les gammes minimisant les déformations. Le second point s'intéresse à l’évaluation multicritères des gammes de fabrication. Les critères retenus prennent en compte la déformation de la pièce, la productivité à travers une estimation rapide des temps d'usinage et la recyclabilité des copeaux obtenus lors de l'usinage. D’autre part, nous proposons un modèle géométrique des états intermédiaires de la pièce durant l’usinage pour à la fois évaluer les gammes de fabrication et conduire les calculs de simulation de la déformation de la pièce durant l’usinage
The optimization of machining sequences is not easy because it suffers from two major shortcomings. The first focuses on the adaptability of existing ranges to current production facilities and their evolution over the years to respond to technological developments. The second point concerns the lack of consideration in the mechanical behavior of the part during the development of machining sequence. This thesis addresses these in relation to the FUI OFELIA project. At first, they study the influence of the machining parameters on the deformation of the workpiece. The aim is to predict the mechanical behavior of the part to identify recommendations with minimal distortion. The second issue deals with multi-criteria evaluation of manufacturing ranges. The criteria take into account are the deformation of the workpiece, productivity through a quick estimate of machining time and recyclability of chips produced during machining. On the other hand, we propose a geometric model of the intermediate states of the workpiece during machining in order to both assess the manufacturing recommendations and to drive the simulation calculations of the deformation of the workpiece during machining