Comment renforcer la gestion par l'État des transitions agroécologiques ? Analyse et reconception des plans français de réduction des pesticides (2007-2023)

The aim of this PhD is to generate knowledge and proposals for action to improve the State's management of agroecological transitions. To this end, we analyze the case of pesticide reduction policies in France : the Ecophyto plans. Launched in 2008, they aimed to reduce pesticide use by 50% by 2018, a target later extended to 2025. However, since their implementation, pesticide sales have not decreased in France, raising questions on how to rethink public policies to more efficiently reduce pesticide use. To answer to this question, we use the theory of sociotechnical system transitions, which highlights that reducing the use of chemical pesticides is hindered by lock-in mechanisms. To overcome this lock-in, the literature highlights the need to foster inter-organizational, multi-level and coordinated collective action dynamics. Therefore, we asked ourselves how to strengthen the State's management of collective action for pesticide reduction.Our analysis is structured in three parts. First, we examined Ecophyto policy processes at the national level, and identified several skills and resources lacking within the State administration to improve those processes. We then studied the implementation of three policy instruments designed to support the emergence of collective management of pesticide reduction, and proposed several ways to improve them. Based on these results, we sought to rethink public policies for pesticide reduction, using an innovative design approach. Through multi-stakeholder workshops, we co-designed three scenarios for transforming public policies to reduce pesticides, demonstrating the relevance of an innovative design approach for transition policy processes. Finally, we discuss the need for large-scale organizational change, both within the administration and agri-food organizations, to strengthen the State's management of pesticide reduction.La thèse vise à produire des connaissances et des pistes d'actions pour améliorer la gestion par l'État des transitions agroécologiques. Pour cela nous analysons le cas des politiques publiques de réduction des pesticides en France : les plans Ecophyto. Lancés en 2008, ces plans visaient une réduction d'usage de 50% en 2018, échéance ensuite reculée à 2025. Cependant, depuis, la vente de produits phytosanitaires n'a pas diminué en France, soulevant des questions sur les manières de repenser les politiques publiques pour agir plus efficacement sur l'usage des pesticides. Pour y répondre, cette thèse s'ancre dans la théorie des transitions des systèmes sociotechniques, qui souligne que la réduction de l'usage des pesticides chimiques est freinée par des phénomènes de verrouillage. Pour dépasser le verrouillage, la littérature montre l'importance d'impulser des dynamiques d'action collective inter- organisationnelle, multi-niveaux et coordonnées. Nous nous sommes donc demandée comment renforcer la gestion par l'État de l'action collective pour la réduction de l'usage des pesticides. Nous avons structuré l'analyse en trois parties. Nous avons tout d'abord analysé les processus d'élaboration collective des plans Ecophyto au niveau national et ainsi identifié plusieurs compétences et ressources manquantes à l'administration d'État pour améliorer ces processus. Puis, nous avons étudié la mise en oeuvre de trois instruments visant à soutenir l'émergence d'une gestion collective de la réduction des pesticides et proposé plusieurs pistes pour les renforcer. Sur la base de ces résultats, nous avons cherché à repenser les politiques publiques de réduction des pesticides en mobilisant une démarche de conception innovante. Nous avons alors co-conçu, à travers des ateliers multi- acteurs, trois scénarios de transformation des politiques publiques pour la réduction des pesticides. Cela nous a permis de montrer la pertinence d'une démarche de conception innovante pour traiter de tels sujets. Pour finir, nous discutons du besoin d'un changement organisationnel de grande ampleur, à la fois au sein de l'administration et au sein des organisations agri- alimentaires, pour renforcer la gestion par l'État de la réduction des pesticides

Développement d’une plateforme d’imagerie pour la caractérisation du transfert de masse dans les microsystèmes : application aux piles à combustible microfluidiques

Fuel cells are devices that convert the energy stored in an oxidant and a reductant into electricity through electrochemical reactions. The most mature technology for this conversion is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), but other alternative systems are emerging. In particular, microfluidic fuel cells (MFCs) have overcome the problems associated with the use of a membrane and gas storage by using liquid reagents at ambient temperature and pressure. The dimensions of the channel (1-5 mm wide and 20-100 µm high) allow co-laminar flow of the two liquid reagents and the electrolyte in a microchannel containing the electrodes. Therefore, PCMs do not need membrane to separate reactants and performances are driven by charge and mass transport.Experimental characterization of all the physical phenomena involved in PCMs is difficult because actuals methods are more based on electrochemical characterisation. These methods provide an overall characterisation of the system but they do not give precise information on the mass transport phenomena occurring in the channel. To investigate concentration field, numerical modelling is generally used. Numerical methods evaluate the impact of the geometry or the operating conditions on MFC performances. However, the use of these models relies on the knowledge of in-situ parameters such as the diffusion coefficient D and the reaction rate k0. In numerical studies, these parameters are generally approximated leading to a qualitative understanding of the transport phenomena. Furthermore, these numerical studies have not yet been verified by experimental studies.Thus, the main scientific challenge of this thesis is to develop quantitative imaging methods for characterising the concentration field in an operating PCM.To meet this need, an imaging platform based on spectroscopy and three characterisation methods were developed in this thesis. First of all, the work focused on developing an experimental setup based on spectroscopy to study the interdiffusion phenomenon. This study reports the estimation of the diffusion coefficient of potassium permanganate in formic acid. These solutions were specifically chosen because they are used in the PCM developed for the rest of the study.The imaging plateform was then adapted to study the in operando MFC 2D concentration field in steady-state. An analytical mass transfer model (advection/reaction/diffusion) coupled to the 2D concentration field was used to determine the reaction rate. As the concentration variations involved can be very small (few micro-moles), another characterisation technique was implemented to reduce the measurement noise.To improve the signal-to-noise ratio, a method based on modulation of the concentration field was developed. Demodulation of the signal significantly reduced the noise and concentrations of 20 µM were estimated. An analytical model describing the modulated field was established in order to implement an inverse method. The proposed method made it possible to recover the reaction rate associated with the concentration variation.To conclude, the proposed characterisation methods enable the estimation of the mass transfer and the reaction kinetics using the 2D concentration field from an in operando MFC. This technique has been applied to the MFC, but it can be transferred to a micrometric system in which diffusion-advection-reaction phenomena take place.Les piles à combustible sont des dispositifs qui transforment l'énergie stockée dans un oxydant et un réducteur en électricité grâce à des réactions électrochimiques. La technologie la plus mature pour réaliser cette conversion est la pile à hydrogène à membrane échangeuse de protons (PEMFC), mais d'autres systèmes alternatifs émergent. En particulier, les piles à combustible microfluidiques (PCM) ont permis de s’affranchir des problématiques liées à l’utilisation d’une membrane et du stockage gazeux grâce à l’utilisation de réactifs liquides à température et pression ambiante. Les dimensions du canal (1-5 mm de large et 20-100 µm de haut) permettent un écoulement co-laminaire des deux réactifs et de l’électrolyte liquides dans un micro-canal contenant les électrodes. Les PCMs n'ont donc pas de membrane et leurs performances sont dirigées par le transport de charges et de masse.À ce jour, il est difficile de caractériser expérimentalement tous les phénomènes physiques qui ont lieu dans la PCM car les méthodes existantes sont plutôt basées sur la caractérisation électrochimique. Ces méthodes permettent d'avoir une caractérisation globale du système mais ne fournissent pas d'informations précises sur les phénomènes de transport de masse dans le canal. Pour étudier le transport de masse, la modélisation numérique est généralement utilisée et permet de simuler le champ de concentration et les performances de la PCM pour différentes architectures et conditions opératoires. Toutefois, l'utilisation de ces modèles repose sur la connaissance de paramètres in-situ tels que le coefficient de diffusion D et le coefficient de réaction k0. Dans les travaux numériques, ces paramètres sont généralement approximés, ce qui permet une appréhension plutôt qualitative des phénomènes de transport. De plus, ces études numériques n'ont à ce jour pas été vérifiées avec des études expérimentales.Ainsi, le principal verrou scientifique de cette thèse repose sur le développement de méthodes d'imagerie quantitatives pour la caractérisation du champ de concentration dans une PCM en fonctionnement.Pour répondre à ce besoin, une plateforme d'imagerie basée sur la spectroscopie ainsi que trois méthodes de caractérisation ont été développées dans cette thèse. Dans un premier temps, les travaux se sont concentrés sur le développement d'un banc de spectroscopie pour étudier le phénomène d'interdiffusion. Cette étude a permis d'estimer le coefficient de diffusion du permanganate de potassium dans l'acide formique. Ces solutions ont été spécifiquement choisies car ceux sont celle utilisées dans la PCM développées pour la suite de l’étude.Le banc de spectroscopie a ensuite été adapté pour étudier le champ de concentration 2D en régime permanent d'une PCM en fonctionnement. Un modèle analytique du transfert de masse (advection/réaction/diffusion) couplé au champ de concentration 2D a ainsi permis de déterminer le taux de réaction. Les variations de concentration mises en jeu étant parfois très faibles (quelques micro-moles), une autre technique de caractérisation a été mis en place pour diminuer le bruit de mesure.Afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, une méthode basée sur la modulation du champ de concentration a été développée. La démodulation du signal a permis de réduire significativement le bruit et des concentrations de 20 µM ont ainsi été estimées. Un modèle analytique décrivant le champ modulé a été établi afin d'implémenter une méthode inverse. La méthode proposée a permis de retrouver le taux de réaction associé à la variation de concentration.En conclusion, les méthodes de caractérisation proposées dans cette thèse permettent d'estimer quantitativement le transfert de masse et la cinétique de réaction à partir du champ de concentration 2D d'une PCM en fonctionnement. Cette technique a été appliquée au PCM, mais elle peut être transférée à un système micrométrique dans lequel les phénomènes de diffusion-advection-réaction ont lieu

Les systèmes agro-pastoraux économes : élevage et agro-écologie en régions de moyenne montagne et de piémont méditerranéen

On the Limousine Moutain and the Lodévois, two small middle mountain and foothills regions of the Massif central, animal husbandry development focused on increasing physical productivity of human work led to an increased part of fodder and concentrated feeds in the flock diet, and increased the grassland use at the expense of the rangelands. One the basis of flock feeding, those rangelands were mainly abandoned or planted with conifers. Several breeders with limited access to moto-mechanized areas go against this dynamic. Thus, they try to reorganize the alimentation of their flocks around diversified rangeland grazing, which implies a systemic modification of production logics. The technoeconomic analysis of these agropastoral systems indicates a significant reduction of fodder and concentrated feed needs and consequently allows less farm equipments investments and input purchases. Comparing the economic results of agro-pastoral farms and farms that have remained within the dominant agricultural development movement shows that despite the reduction of the production per animal and the flock size per active person, these systems called frugal create more added value and help maintaining or even creating jobs in areas that would have been abandoned otherwise. This frugal agro-pastoral systems seems an alternative to the dominant agricultural development in these two middle mountain and foothills regions. However, the development of these systems on a larger scale is currently restrained by the lack of short-circuit outlets for agro-pastoral products, which are often out of step with standard products. Furthermore, the current subsidies allocation of the Common Agriculturis is less advantageous for agropastoral systems and can also impeach their running.Sur la Montagne limousine et dans le Lodévois, deux petites agricoles respectivement de moyenne montagne humide et de piémont méditerranéen du Massif central, le développement de l'élevage centré sur l'accroissement de la productivité physique du travail a conduit à l'augmentation de la part des fourrages distribués et des aliments concentrés dans l'alimentation des troupeaux et au recentrage du pâturage sur les prairies. Les parcours, qui fournissaient auparavant la base de l'alimentation des troupeaux, ont été progressivement abandonnés, ou ont pu faire l'objet de plantations de résineux. À rebours de ce mouvement dominant, quelques éleveurs ayant un accès limité aux terres moto-mécanisables ont au contraire cherché à replacer au centre de l'alimentation de leurs troupeaux le pâturage des parcours, ce qui implique une modification systémique des logiques de production. L'analyse du fonctionnement technico-économique de ces systèmes agro-pastoraux révèle une importante réduction des besoins en fourrages et aliments concentrés, qui se traduit par des investissements en matériel agricole et des achats d'intrants très limités. Malgré une baisse des niveaux de production par animal et une taille de cheptel élevé par actif inférieur, ces systèmes qualifiés d'économes sont bien plus créateurs de richesses et d'emplois agricoles que ceux restés dans le mouvement de développement agricole dominant, tout en utilisant des terres qui seraient autrement à l'abandon. Si ces systèmes économes semblent pouvoir constituer une alternative au développement agricole dans ces régions, leur diffusion reste limitée par les débouchés pour une production agricole hors des standards de l'aval et par le mode actuel d'attribution des subventions de la Politique Agricole Commune, dont ils bénéficient moins et qui peuvent entraver leur fonctionnement

Statistiques du nombre et corrélations en impulsion dans des gaz de Bose interagissants

This thesis work is dedicated to the study of number statistics and momentum correlations in interacting lattice Bose gases. The Bose-Hubbard model is simulated by loading Bose-Einstein condensates (BECs) of metastable Helium-4 atoms into a three-dimensional (3D) optical lattice. This model exhibits a quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator that is driven by interaction-induced quantum fluctuations. The objective of this work is to comprehend the role of these quantum fluctuations by analyzing their signatures in momentum space. The original detection scheme employed towards this aim provides the single-particle resolved momentum distribution of the atoms in 3D. From such datasets made up of thousands of individual atoms, the number statistics of occupation of different sub-volumes of momentum space yield information about correlation or coherence properties of the interacting Bose gas. At close-by momenta these occupation probabilities permit the identification of underlying pure-state statistics in the case of textbook many-body states such as lattice superfluids and Mott insulators. In the weakly-interacting regime, well-established correlations between pairs of atoms at opposite momenta are observed. Furthermore, these pair correlations are found to decrease in favor of more intricate correlations between more than two particles as interactions are increased. A direct observation of non-Gaussian correlations encapsulates the complex statistical nature of strongly-interacting superfluids well before the Mott insulator phase transition. Finally, at the phase transition, fluctuations of the occupation number of the BEC mode are found to be enhanced, constituting a direct signature of the quantum fluctuations driving the transition. System-size independent quantities such as the Binder cumulant are shown to exhibit distinctive sharp features even in a finite-size system, and hold promise for constituting suitable observables for determining universal behavior when measured in a homogeneous system.Ce travail de thèse est dédié à l'étude des statistiques du nombre et corrélations en impulsion dans des gaz de Bose sur réseaux interagissants. Le modèle de Bose-Hubbard est simulé en chargeant des condensats de Bose-Einstein (BEC) d'atomes d'Hélium-4 métastables dans un réseau optique tridimensionnel (3D). Ce modèle présente une transition de phase quantique d'un superfluide à un isolant de Mott induite par des fluctuations quantiques provoquées par l'interaction. L'objectif de ce travail est de comprendre le rôle de ces fluctuations quantiques en analysant leurs signatures dans l'espace des impulsions. Le schéma de détection original utilisé à cette fin fournit la distribution d'impulsion résolue à l'échelle de l'atome unique en 3D. À partir de ces jeux de données composés de milliers d'atomes individuels, les statistiques du nombre d'occupation de différents sous-volumes de l'espace des impulsions fournissent des informations sur les propriétés de corrélation ou de cohérence du gaz de Bose interagissant. À impulsions proches, ces probabilités d'occupation permettent l'identification de statistiques d'état pur sous-jacentes dans le cas d'états many-body classiques tels que les superfluides en réseau et les isolants de Mott. Dans le régime faiblement interagissant, des corrélations bien établies entre les paires d'atomes à impulsions opposées sont observées. De plus, on constate que ces corrélations entre paires diminuent en faveur de corrélations plus complexes entre plus de deux particules lorsque les interactions sont augmentées. Une observation directe de corrélations non-Gaussiennes encapsule la nature statistique complexe des superfluides fortement interagissants bien en amont de la transition de phase vers l'isolant de Mott. Enfin, lors de la transition de phase, on constate une augmentation des fluctuations du nombre d'occupation du mode du BEC, constituant une signature directe des fluctuations quantiques induisant la transition. Des quantités indépendantes de la taille du système, telles que le cumulant de Binder, présentent des variations abruptes même dans un système de taille finie et semblent prometteuses pour constituer des observables appropriés permettant de déterminer le comportement universel lorsqu'elles sont mesurées dans un système homogène

Stratégie de modélisation multi-fidélité via une approche système incluant des métamodèles basés sur les entités NURBS

The more complex the problem, the greater the amount of computational resources needed to simulate it. On the other hand, the need for accuracy in the results of a system will not be the same depending on its design phase and the domain studied. The goal of this thesis is to propose a fast, low-cost multi-fidelity modeling strategy. To meet this need, a hybrid modeling approach is developed that combines Model-Based System Engineering (MBSE) and a metamodel based on Non-Uniform Rational Basis-Spline (NURBS) hypersurfaces. More specifically, the scientific challenge of this work is to develop a metamodel based on NURBS entities to simulate the behavior of highly nonlinear systems that require high fidelity modeling but are capable of providing results in real time to be compatible with the MBSE approach. In this context, the NURBS entity-based metamodel is obtained as a solution to an optimization problem solved with a gradient algorithm. In addition, a smoothing term is included in the problem formulation, not only to reduce the influence of any spurious nonlinearities in the training database, but also to limit the phenomenon of overfitting. The technical and scientific challenge of this work is to couple the general MBSE approach with the NURBS-based metamodel.Plus un problème est complexe, plus la quantité de ressources informatiques nécessaires pour le simuler est importante. D’autre part, le besoin de précision dans les résultats d’un système ne sera pas le même selon sa phase de conception et le domaine étudié. L'objectif de cette thèse est de proposer une stratégie de modélisation multi-fidélité rapide et peu couteuse en ressources de calcul. Pour répondre à ce besoin, une modélisation hybride est développée, couplant approche Model-Based System Engineering (MBSE) et métamodèle basé sur les hypersurfaces Non-Uniform Rational Basis-Spline (NURBS). Plus précisément, l’enjeu scientifique de ce travail est le développement du métamodèle basé sur les entités NURBS pour simuler le comportement de systèmes fortement non-linéaires nécessitant une modélisation haute-fidélité mais capable de fournir les résultats en temps réel pour être compatible avec l’approche MBSE. Dans ce contexte, le métamodèle basé sur les entités NURBS est obtenu comme solution d’un problème d’optimisation résolu avec un algorithme au gradient. En outre, un terme de lissage est intégré dans la formulation du problème pour non seulement réduire l’influence d’éventuelles non-linéarités parasites de la base de données d’entraînement mais également pour limiter le phénomène d’overfitting. L’enjeu technicoscientifique de ce travail est de parvenir à coupler l’approche générale MBSE avec le métamodèle à base de NURBS

Politique climatique dans le secteur agricole : efficacité, coûts de surveillance, séquestration du carbone et risque

The aim of this thesis is to explore the trade-off between the effectiveness of net GHG mitigation policies and the costs associated with monitoring emissions and carbon sequestration. In the first contribution, our objective is to estimate the marginal cost andeffectiveness in terms of mitigating net GHG emissions for several policies partially covering emission sources and sinks. We find that subsidies for total carbon sequestrationand for carbon contained only in above-ground biomass are more cost-effective than aGHG tax. In the second contribution, at the scale of the plot, we examine the costs of participation in two types of carbon contracts, one model-based and the other results-based. For the latter type, we take into account the risk aversion of farmers regarding the uncertainty surrounding carbon sequestration results. The goal is to highlight the trade-offs regarding risk-sharing between the regulator and farmers, while defining theoretical conditions for farmer participation in these contracts. In the third contribution, at the scale of a French region, we compare the cost-effectiveness of different carbon contracts, whether results-based, model-based, or practice-based. This analysis takes into account some of the heterogeneity among farmers. Our results indicate that the most cost-effective contract form is to remunerate farmers per hectare for the implementation of intra-parcel agroforestry.L'objectif de cette thèse est d'explorer l'arbitrage entre l'efficacité des politiques d'atténuation des émissions de GES nettes et les coûts associés au suivi des émissions de GES et à la séquestration du carbone. Dans la première contribution, notre objectif est d'estimer le coût marginal et l'efficacité en termes d'atténuation des émissions de GES nettes de plusieurs politiques couvrant partiellement les sources et les puits d'émissions. Nous constatons que la subvention pour la séquestration totale du carbone et celle pour le carbone contenu uniquement dans la biomasse aérienne se révèlent plus coût-efficace qu'une taxe sur les GES. Dans la deuxième contribution, à l'échelle de la parcelle, nous comparons les coûts de participation de deux types de contrats carbone dont le suivi est basé pour l'un sur les prédictions d'un modèle et pour l'autre sur les résultats mesurés. Pour ce dernier, nous prenons en considération l'aversion au risque des exploitants face à l'incertitude entourant les résultats de séquestration du carbone. L'objectif est de mettre en évidence les arbitrages concernant le partage du risque entre le régulateur et l'exploitant, tout en définissant des conditions théoriques de participation aux contrats pour ce dernier. Dans la troisième contribution, à l'échelle d'une région française, nous comparons la coût-efficacité de contrats carbone dont le paiement est basé sur les résultats mesurés, sur les prédictions d'un modèle, ou sur la mise en œuvre de la pratique. Cette analyse prend en compte une partie de l'hétérogénéité entre les agriculteurs. Nos résultats indiquent que la forme de contrat la plus coût-efficace consiste à rémunérer les exploitants à l'hectare pour la mise en place d'agroforesterie intra-parcellaire

Nouvelles représentations séparées pour des applications industrielles complexes : espace, temps et paramètres

Every transient problem in continuum mechanics is characterized by three variables: space, time and parameters. The space defines the physical domain, enabling the definition of diverse systems. The time captures dynamic processes, allowing for transient behavior analysis. The parameters control system and modeling characteristics. Together, these elements drive the accuracy and relevance of computational science, making them essential for understanding and predicting real-world phenomena.The complexity arising from managing space, time, and parameters in numerical simulations can be particularly challenging when dealing with thin structures, small time steps combined with long time intervals, and a high number of parameters over large domains.The numerical simulation of three-dimensional models in thin geometries presents important challenges since maintaining the mesh granularity proportional to the thickness dimension requires an impractical number of elements for the entire structure. This issue is currently encountered in automotive industry when considering vehicle crash simulations, where most of the components are thin structures.When time multiscale behaviours occur, standard discretization techniques are constraint to mesh up to the finest scale to predict accurately the response of the system. This results in a prohibitive computational when the phenomena must be observed over a long duration. This occurs, for instance, in material science when dealing with fatigue damage assessments and cyclic visco-elasto-plastic fatigue problems.A large number of parameters increases the dimensionality of the parameter space exponentially, making its exploration computationally intensive. The data generated from numerous simulations can be difficult to manage and advanced meta-modeling techniques are required. This typically happens in optimal design problems of multi-component parametric structures.To address these challenges, it is essential to strike a balance between accuracy and computational efficiency, requiring ad-hoc advanced developments. In this thesis the three challenges are separately addressed via novel separation-based techniques.Chaque problème transitoire en mécanique des milieux continus est caractérisé par trois variables : l'espace, le temps et les paramètres. L'espace définit le domaine physique, permettant la description de divers systèmes. Le temps capture les processus dynamiques, autorisant l'analyse des comportements transitoires. Les paramètres influent sur les caractéristiques des systèmes et de la modélisation. Ensemble, ces éléments influent sur l'exactitude et la pertinence de la science computationnelle, les rendant essentiels pour la compréhension et la prédiction des phénomènes réels.La gestion de l'espace, du temps et des paramètres dans les simulations numériques est particulièrement impactée lorsqu'il s'agit de structures minces, de petits pas de temps combinés à de longs intervalles, et d'un grand nombre de paramètres sur de vastes domaines.La simulation numérique de modèles tridimensionnels dans des géométries minces présente d'importants défis, car maintenir la granularité du maillage proportionnelle à la dimension de l'épaisseur nécessite un nombre impraticable d'éléments pour toute la structure. Cela survient souvent dans l'industrie automobile lors de simulations de crash, où la plupart des composants sont des structures minces.Lorsque des comportements multiscales dans le temps surviennent, les techniques de discrétisation standard sont contraintes de mailler jusqu'à l'échelle la plus fine pour prédire avec précision la réponse du système. Cela entraîne un coût computationnel prohibitif lorsque les phénomènes sont observés sur une longue durée, comme c'est le cas en science des matériaux lors de l'évaluation des endommagements par fatigue.Un grand nombre de paramètres augmente de manière exponentielle la dimension de l'espace paramètrique, limitant son exploration. Les données générées par de nombreuses simulations peuvent être difficiles à gérer et des techniques avancées de méta-modélisation sont nécessaires. Cela se produit généralement dans des problèmes de conception optimale de structures paramétriques à plusieurs composants.Pour relever ces défis, il est essentiel de trouver un équilibre entre la précision et l'efficacité computationnelle, nécessitant des développements avancés. Dans cette thèse, les trois défis sont abordés via des nouvelles techniques basées sur les représentations séparéés

Evolution microstructurale de l'acier 316L élaboré par fabrication additive (LPBF et WAAM) et influence sur son comportement à rupture

This thesis investigates the relationships between the microstructure and fracture behavior of austenitic 316L stainless steels produced by two additive manufacturing processes. To this end, several microstructures were manufactured using the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) and Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) processes. Various heat treatments were then applied to the consolidated samples, with the aim of developing their microstructures in a controlled manner (stress relieving, homogenization, recrystallization). A particular attention was paid to the recrystallization kinetics of these steels, which are very different from those observed in conventional 316L steels. Finally, the materials were tested for impact and/or fracture toughness.In the case of 316L steel produced using the LPBF process, a comparative study of deformation and fracture mechanisms enabled to determine the influence of microstructural features on the impact and fracture toughness behavior. Among these features, the nanometric oxides present in these materials at the end of the manufacturing process appeared to have a significant influence on fracture mechanisms, the latter occurring through decohesion at the oxide/matrix interfaces. After recrystallization, ripening of these oxides at recrystallized grain boundaries led to a significant drop in resistance to crack initiation and propagation. Correlations between impact toughness and fracture toughness have been established. The low-temperature impact toughness values (down to - 193°C) of various microstructures were compared with those of 316L steels either wrought or produced by hot isostatic pressing. As these trends appeared similar, it was concluded that the microstructural features specific to LPBF 316L steel did not have any significant influence on the sensitivity of its impact toughness to temperature.Regarding the WAAM-manufactured 316L steel, a more limited experimental campaign, based on the results obtained after LPBF, was used to determine the influence of microstructural features on the fracture behavior. Fracture mechanisms similar to those of LPBF 316L were observed: failure occurred by decohesion of the oxide (in this case submicrometer-sized) / matrix interfaces. Conversely, recrystallization treatments were beneficial to the impact toughness of this steel, as they did not induce the localization of oxides at grain boundaries. Lastly, the δ-ferrite present in the microstructure of as-built WAAM 316L induced brittle fracture of the material at - 193°C.Ces travaux de thèse portent sur les relations microstructure - comportement à rupture d'aciers inoxydables austénitiques 316L élaborés par deux procédés de fabrication additive. Dans cette optique, plusieurs microstructures ont été élaborées par le procédé de fusion laser sur lit de poudre (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) et le procédé arc-fil (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM). Différents traitements thermiques ont ensuite été appliqués aux échantillons consolidés, dans le but de faire évoluer leurs microstructures de manière contrôlée (détensionnement, homogénéisation, recristallisation). Une attention particulière a été portée aux cinétiques de recristallisation de ces aciers, très différentes de celles observées dans les aciers 316L conventionnels. Enfin, les matériaux ont été testés en résilience et/ou en ténacité.Dans le cas de l'acier 316L élaboré par procédé LPBF, l'étude comparative des mécanismes de déformation et de rupture a permis de déterminer l'influence des éléments de microstructure sur le comportement en résilience et en ténacité. Parmi ces éléments, les oxydes nanométriques présents dans ces matériaux en sortie de fabrication semblent avoir une influence significative sur les mécanismes de rupture, cette dernière intervenant par décohésion des interfaces oxyde / matrice. Après recristallisation, le mûrissement de ces oxydes aux joints des nouveaux grains recristallisés mène à une baisse significative de la résistance à l'amorçage et à la propagation de fissure. Des corrélations entre résilience et ténacité ont été établies. L'évolution de la résilience à basse température (jusqu'à - 193 °C) de différentes microstructures ont été comparées à celles d'aciers 316L forgés ou élaborés par compaction isostatique à chaud. Ces évolutions apparaissant similaires, il est conclu que les éléments de microstructure particuliers à l'acier 316L LPBF n'apparaissent pas avoir d'influence significative sur la sensibilité de sa résilience envers la température.Concernant l'acier 316L élaboré par procédé WAAM, un plan d'expérience plus restreint, établi sur la base des résultats obtenus après LPBF, a permis de déterminer l'influence des éléments de microstructure sur le comportement à rupture. Des mécanismes de rupture similaires à ceux des aciers 316L LPBF de l'étude ont été observés : rupture par décohésion des interfaces oxydes (ici de tailles submicrométriques) / matrice. A l'inverse, les traitements de recristallisation s'avèrent bénéfiques sur la résilience de cet acier, ceux-ci n'induisant pas la localisation des oxydes aux joints de grains. Enfin, la ferrite δ présente dans la microstructure de l'acier 316L WAAM brut de fabrication induit une rupture fragile du matériau à - 193 °C

Durabilité de l'aciers inoxydables obtenu par fabrication additive en situation de couplage Fatigue-Hydrogène

Selective Laser Melting (SLM) process has the potential to fabricate complex parts which can find applications in hydrogen-based systems, due to their improved strength-ductility trade-off and inherent austenite phase traditionally resistant to Hydrogen Embrittlement (HE). Knowledge on the HE resistance of these new class of SLM materials is crucial. In this context, the goal of this work is to experimentally assess and understand the susceptibility of additive manufactured stainless steels (SS) to HE under coupled mechanical testing conditions.For this purpose, three grades of SLM fabricated SS are chosen : austenitic 316L and 304L and martensitic 17-4PH. Heat treatments are performed to modify the dislocation sub-structure and the consequent impact on hydrogen diffusion is studied under both electrochemical and high-pressure hydrogen gas charging conditions. Slower diffusion of hydrogen in the dislocation-rich microstructure and a localisation of hydrogen within 100 µm from the charging surface were observed. The dominant role of defects impedes the evaluation of the impact of hydrogen on both ductility and fatigue crack initiation in SLM-316L samples fabricated through a ‘No Rotation’ laser strategy and SLM-304L.Insitu electrochemical mechanical tests affect the strength and ductility of the chosen materials more than the high-pressure hydrogen gas condition. H-dislocation interaction varies depending on the severity of H-charging and the nature of the dislocations. Complex phenomena are evidenced during insitu electrochemical fatigue tests on SLM-316L, and the observed loss of fatigue properties are explained through complementary evidence. Fatigue crack growth rates increase in the presence of hydrogen supported through observations of fatigue striation spacing, indicating that SLM-fabricated austenitic stainless steels are susceptible to HE under adverse H-charging conditions. Severe HE is observed in SLM-17-4PH subjected to H900 heat treatment both in tension and fatigue.Le processus de Selective Laser Melting (SLM) offre la possibilité de fabriquer des pièces complexes pouvant trouver des applications dans les systèmes à base d'hydrogène, en raison de leur meilleur compromis résistance-ductilité et de leur phase austénitique inhérente résistante à la fragilisation par l'hydrogène (FPH). Il est crucial de connaître la résistance à la FPH de cette nouvelle classe de matériaux SLM. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'évaluer et de comprendre la susceptibilité des aciers inoxydables fabriqués par SLM à la FPH dans des conditions d'essais mécaniques couplés. Dans ce but, trois nuances d'acier inoxydable fabriqué par SLM sont choisies : 316L et 304L austénitiques et 17-4PH martensitique. Des traitements thermiques sont effectués pour modifier la sous-structure des dislocations et l'impact sur la diffusion de l'hydrogène est étudié à la fois dans des conditions de chargement électrochimiques et dans des conditions de chargement d'hydrogène gazeux à haute pression. Une diffusion plus lente de l'hydrogène dans la microstructure riche en dislocations et une localisation de l'hydrogène à moins de 100 µm de la surface de chargement ont été observées. Le rôle dominant des défauts empêche l'évaluation de l'impact de l'hydrogène sur la ductilité et l'amorçage des fissures de fatigue dans les échantillons SLM-316L fabriqués par une stratégie laser "sans rotation" et SLM-304L. Les essais mécaniques électrochimiques insitu affectent la résistance et la ductilité des matériaux choisis plus que la condition de gaz hydrogène à haute pression. L'interaction H-dislocation varie en fonction de la sévérité de la chargement H et de la nature des dislocations. Des phénomènes complexes sont mis en évidence lors d'essais de fatigue électrochimique insitu sur le SLM-316L, et la perte observée des propriétés de fatigue est expliquée par des preuves complémentaires. Les taux de propagation des fissures de fatigue augmentent en présence d'hydrogène, ce qui est confirmé par les observations de l'espacement des stries de fatigue, indiquant que les aciers inoxydables austénitiques fabriqués par SLM sont sensibles à l'HE dans des conditions de charge H défavorables. Une HE sévère est observée dans le SLM-17-4PH soumis à un traitement thermique H900 à la fois en tension et en fatigue

Essais 4D multimodaux et simulations numériques appliqués à l'étude de la plasticité cristalline

Establishing microstructure-property relationships is a critical challenge for the design of structural materials. Metals dis-play an heterogeneous polycrystalline organisation which drives their performance, hence the need to access to themechanical quantities of interest at the grain and sub-grain scales. A variety of characterization techniques now givesaccess to those levels of details. Recent progress in synchrotron and laboratory X-ray techniques have contributed to therise of multimodal experiments, especially by allowing non destructive in situ testing. In particular, Diffraction ContrastTomography (DCT), which belongs to the Diffraction Microcrostructure Imaging (DMI) techniques family, allows the re-construction of 3D grain maps with their associated orientations field and actual morphology. These digital twins canbe used directly for simulations. Improved convergence of experimental and numerical modalities leads to unified andmassive databases. This represents an opportunity to unlock the understanding of the complex physical mechanisms atstake. The main objective of the present work is to contribute, with concrete use cases, to demonstrate the potential ofthis approach. We introduce two in situ multimodal datasets applied to incipient crystal plasticity on a commercially puretitanium. First, we assess the performance of the EBSD, synchrotron DCT and LabDCT techniques used. A statisticalregistration technique allows to compare rigorously these modalities. Typical plasticity mechanisms are observed at thesurface and in the volume (grains rotation, plastic slip and intragranular transmission, GND dislocations accumulation atgrain boundaries), as well as the formation of sub grains, an unprecedented observation only enabled by the DCT. Inaddition, the FFT simulation performed on a DCT volume allowed us to validate the performance of the continuous crystalplasticity model, excepted in the vicinity of the non modelized precipitates. The last chapter presents a complementarynumerical study of the performance of the LabDCT algorithm, commercialized by XNovo Technology, on a microstructurein the deformed state. This study lies in the scope of extending the reconstruction applications of DMI techniques. Weshowed good performance of the algorithm for tracking grains rotations during the deformation. On the other hand, the program is not able to reconstruct a reliable intragranular orientation field.Comprendre les liens étroits entre microstructure et propriétés est un objectif majeur pour la conception de matériaux de structure. Les métaux présentent une organisation polycristalline hétérogène qui pilote leur performance, d’où la nécessité d’accéder aux quantités mécaniques d’intérêt à l’échelle granulaire, voire intragranulaire. Un large éventail de techniques de caractérisation permet désormais d’observer ces échelles. Des avancées récentes sur les techniques RX, en synchrotron ou en laboratoire, ont contribué à l’essor des expériences multimodales, notamment par la réalisation d’essais in situ en volume non destructifs. En particulier la Tomographie par Constraste de Diffraction (DCT), appartenant à la famille des techniques d’Imagerie de Microstructure par Diffraction (DMI), permet de reconstruire des cartographies 3D de grains avec leurs orientations associées et une morphologie fidèle de la réalité. Les jumeaux numériques obtenus peuvent être utilisés directement pour des simulations. Cette convergence améliorée des modalités expérimentales ou numériques permet d’envisager des jeux de données massifs et unifiés. Cela constitue une opportunité pour mieux appréhender la complexité des mécanismes physiques. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer, sur des cas concrets, à démontrer le potentiel de cette approche. Nous introduisons deux jeux de données multimodaux in situ appliqués à l’étude des premiers stades de la plasticité cristalline sur un titane commercialement pur. Nous évaluons d’abord les performances des techniques EBSD, DCT synchrotron et LabDCT utilisées. Une solution de recalage statistique permet de comparer rigoureusement ces modalités. Des mécanismes caractéristiques de plasticité sont ensuite statistiquement mis en évidence en surface et en volume (rotation des grains, glissement plastique et transmission intergranulaire, accumulation de dislocations GND aux joints de grains), ainsi que la formation de sous-grains, observation inédite uniquement permise par mesure DCT. La simulation FFT réalisée sur un volume DCT a permis en outre de valider les performances du modèle de plasticité cristalline continu sauf au voisinage des précipités non modélisés. Le dernier chapitre présente une étude numérique complémentaire des performances de l’algorithme LabDCT, commercialisé parXNovo Technology, sur une microstructure à l’état déformé. Cette étude s’inscrit dans la dynamique d’étendre les capacités de reconstruction des techniques DMI. Nous avons établi des performances satisfaisantes de l’algorithme pour suivre les rotations des grains au cours de la déformation. Par contre le programme n’est pas capable de reconstruire un champ intragranulaire d’orientations fiables