CoMet : Comportement et microstructure des Métaux

Mise à jour : 07 jan 2013

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Responsables : Olivier Castelnau (DR) et Zehoua Hamouche (MDC)

Membres permanents : Frédéric Adamski (MdC), Sarah Baiz (IR), Chedly Braham (MdC), Jean-Pierre Chevalier (PR), Katell Derrien (MdC), Justin Dirrenberger (MCF), Sébastien Dubent (IE),  Véronique Favier (PR), Imade Koutiri (PRAG), Léo Morin (MdC), Nicolas Ranc (MdC), Frédéric Vales (IR - Microscopies)

Doctorants :Thibault De Terris, Alexandre Gaultier, Tang Gu, Paul Lafourcade, Jean-Baptiste Marijon, Noushin Torabian, Shaobo Yang, Biagio Zaffora

Contractuels : Vincent Michel (IE – Rayons X), Taylan ORS (Post-doc), Idriss Tiba (ATER)

 


 

Ce Groupe de Recherche s’attache à comprendre le comportement thermo-mécanique des matériaux métalliques (et plus généralement des matériaux polycristallins), par des approches micromécaniques expérimentales, théoriques, et numériques. La microstructure de ces matériaux peut présenter un gradient de propriétés à l’échelle de l’échantillon ou à une échelle inférieure, et les grains en présence, dont l’arrangement spatial comporte un caractère aléatoire, peuvent être de nature cristallographique différente (aciers austéno-ferritiques par exemple). Deux axes de recherche sont menés simultanément :

(i) Influence des procédés sur les évolutions et transformations des microstructures. Un accent particulier est porté vers les procédés laser (perçage, choc, …) et les forts gradients qui en découlent, mais les évolutions de microstructures sont aussi étudiées dans des contextes plus conventionnels, comme par exemple les chargements cycliques à grand nombre de cycles.

(ii) Lien Microstructure – Propriétés. Il s’agit de comprendre le lien spécifique reliant le comportement thermo-élasto-visco-plastique (éventuellement anisotrope) du matériau à sa microstructure. Pour cela, au-delà de l’influence des textures morphologiques, cristallographiques, et de l’état d’écrouissage ou d’endommagement, des microstructures spécifiques sont étudiées (couches minces nanostructurées, grains colonnaires, matériaux multiphasées, matériaux semi-solide, composites à matrice métalliques, …).

Les études qui sont menées s’attachent à décrire de manière systématique les mécanismes élémentaires et les transitions d’échelle qui permettent de comprendre le comportement du matériau (structure de dislocations, grains, polycristal, éprouvette, pièce de structure). Elles s’appuient largement sur le potentiel expérimental du laboratoire, en particulier les Centres de Ressources Rayons X, Microscopies, Essais Mécaniques, Laser, et participent au développement de ces techniques lorsque cela s’avère nécessaire. Les mesures de champs cinématiques (déplacement / déformation), statique (contrainte), ou de température, par des techniques de diffraction (rayons X de laboratoire, rayonnement synchrotron, ou neutrons), de corrélation d’images, ou de pyrométrie, depuis l’échelle du micron jusqu’à l’échelle de la pièce (selon les techniques), prennent une place particulière. L’interprétation de ces mesures repose largement sur les techniques d’homogénéisation qui permettent de comprendre la mise en place des interactions mécaniques entre les différents constituants du matériau, les hétérogénéités de champs qui en découlent, et l’impact de ces interactions sur le comportement de la pièce.

L’ensemble de ces travaux s’appuie largement sur des collaborations académiques nationales, internationales, et industrielles.

Principaux projets financés en cours

Microstructure et propriétés de la zircone réfractaire pour la fusion du verre (ANR ASZTECH)

Collaborations : Ecole des Mines (CdM, Evry), GEMH (Limoges), LEM3 (Metz), Saint Gobain CREE, et Mistras Group SA.

Ce projet (2013-2017) porte sur l'étude des parois des fours à verre à base de zircone réfractaire. Il s’agira en particulier de comprendre le lien entre les procédés d’élaboration, la microstructure, et le comportement thermomécanique du matériau. Le PIMM intervient notamment sur l’analyse des contraintes résiduelles par diffraction X et/ou neutron.

 

Composites Cu-Nb architecturés et nanostructurés (ANR METAFORES)

Collaborations : Pprime (Poitiers), LLB (Saclay) , CdM (Evry), et LNCMI (Toulouse).

Ce projet (2012-2016) vise à étudier le comportement de fils composites nanostructurés et architecturés de Cu-Nb, en liaison avec la microstructure, utilisés pour la génération de champs magnétiques intenses. Le PIMM intervient plus spécifiquement dans la modélisation micromécanique de ces composites, en collaboration avec le CdM.

Composites Cu-Nb, élaborés par co-tréfilage. Les grains les plus fins sont de taille nanométrique.

Aciers composites à densité réduite et rigidité améliorée (ANR ADRERA)

Collaborations : MATEIS (INSA Lyon), Arcelor Mittal, SIMAP (INP Grenoble), LPCES (ICMMO Orsay), LSPM (Villetaneuse), ICMPE (Paris Est) et LPS (Université Paris-Sud Orsay).

Ce projet vise à développer et à mettre en œuvre une nouvelle famille d’Aciers composites à Densité Réduite et Rigidité Amélioré (Fe-TiB2). Ce composite élaboré par coulée continue représente une véritable rupture technologique par rapport à tous les produits existants. Avec un tel produit, les perspectives d’allègement sont comprises entre 20 et 30 % selon la fonctionnalité de la pièce cible.

L’équipe s’intéresse à l’étude du comportement mécanique et de l’endommagement du composite en lien avec la microstructure du renfort et de la matrice. Il s'agit plus particulièrement d'étudier la cohèsion des interfaces particule- matrice lors de déformations plastiques afin de définir un critère d’endommagement à base microstructurale. Ces travaux sont fortement corrrélés avec la structure atomique des interfaces (ICMPE-CNRS, Thiais) et à la composition aux interfaces (LPS, Orsay).

         Endommagement des particules TiB2 dans l'acier composite Fe-TiB2
 

Rhéologie et anisotropies des minéraux du manteau terrestre (ANR MANTLE RHEOLOGY)

Collaborations : UMET- Université Lille, ESRF-Grenoble.

Ce Projet ANR consiste à mettre en place une approche multi-échelle (depuis la structure du cœur des dislocations jusqu’à l’échelle centimétrique) pour la description de la rhéologie des minéraux (ex. olivine, pyroxènes), dont le comportement plastique est extrêmement anisotrope, déformés sous haute pression (dizaines de GPa) et haute température (1000-2000°). Des modèles adaptés à ces différentes échelles sont confrontés à des expériences sur la nouvelle presse D-DIA du synchrotron européen ESRF. Les effets de pression et température sur la rhéologie des minéraux ouvrent des applications importantes en Science de la Terre. Plus généralement, ce projet permet de mieux comprendre la rhéologie des polycristaux à forte anisotropie locale.

(gauche) Microstructure périodique (mosaïque de Voronoï) d'un polycrystal d'olivine, et (droite) distribution intragranulaire des contraintes equivalentes (normalisées) lors d'une déformation en fluage.

Microplasticité et dissipation en fatigue à très grand nombre de cycles (ANR DISFAT)

Collaborations : LEME – Université Ouest Paris La défense, LMGC – Université Montpellier II, LPMTM – Université Paris Nord, CETIM – Senlis.

Nous étudions les mécanismes précurseurs de l’initiation de fissures dans le cas de métaux ductiles monophasés sollicités à des amplitudes de contrainte inférieures à la limite de fatigue conventionnelle. Dans ces conditions de sollicitations, la durée de vie peut être supérieure à 109 cycles et atteint le domaine de la fatigue à très grand nombre de cycles (Very High Cycle Fatigue).  Un enjeu majeur de ce projet concerne la détection des mécanismes étudiés, difficile étant donnés les faibles niveaux de contraintes. Les faibles changements microstructuraux responsables de l’initiation des fissures sont analysés par (i) l’augmentation de température de la surface de l’éprouvette au cours des cycles et l’estimation du champ de dissipation (imagerie quantitative), (ii) la rugosité de la surface et son évolution (Microscopie Electronique à Balayage et Microscopie à Force Atomique), et (iii) les microstructures de dislocations dans les zones de forte rugosité (Microscopie Electronique à Transmission).

Dans le cadre de ce projet, la thèse de Ngoc Lam Phung a été soutenue en déc. 2012.  La  thèse de Nicolas MARTI (allocation de thèse de l’Ecole Doctorale SMI, 2010-2013), en collaboration avec Nicolas Saintier du LAMEFIP (Arts et Métiers ParisTech Centre de Bordeaux) a pour objectif l'étude de l’influence de la fréquence et de la température sur les mécanismes de déformation et la dissipation au cours d’essais de fatigue sous faibles amplitudes de contrainte.

        

(Gauche) Dispositif de mesure du champs de température par thermographie infrarouge. (Droite) Observation par MEB de bandes de glissement persistantes à la surface d'une éprouvette en cuivre après sollicitation : thèse de  Ngoc Lam Phung

Perçage laser (ANR ULTRA)

Collaborations : Centre des Matériaux – Mines ParisTech, SNECMA, CRMA, Lasag, Laser Métrologie.

Le perçage est un procédé couramment utilisé en aéronautique pour usiner les pièces des moteurs afin de les refroidir. Néanmoins, les procédés lasers actuels ne permettent pas de réaliser les perçages de forme sur des matériaux revêtus avec les assurances de qualité, de reproductibilité et de durée de vie requises pour les futurs moteurs. Le projet ULTRA (Usinage par Laser des sysTèmes de Refroidissements en Aéronautique) vise à réaliser une avancée significative dans le procédé de perçage par laser à travers deux sauts successifs : un saut technologique réalisé avec la conception d'une tête de perçage adaptative associée à un système de contrôle de procédé assurant la qualité des perçages en ligne, et un saut scientifique en réalisant les études fondamentales rendues possibles par cette tête de perçage sur les mécanismes d'absorption du laser, les géométries et les endommagements directement responsables des propriétés en service des pièces. Les matériaux auxquels ce projet s'intéresse sont des superalliages monocristallins (AM1) et des bases Cobalt (KCN22W) revêtues ou non de barrière thermique. Ces travaux s’inscrivent dans une collaboration des groupes « Comportement et Microstructure des Métaux », « Structures et Dynamique des Systèmes », et « Procédés Laser » du PIMM.

La  thèse de Jérémie GIRARDOT (contrat doctorant cofinancé CNRS-DGA, 2010-2013) a pour objectif de (i)  développer une simulation du procédé de perçage laser en vue d’accéder aux températures dans la pièce au voisinage du perçage, et (ii) comprendre les microstructures et défauts induits par le perçage et leurs effets sur les propriétés mécaniques finales. Les résultats seront appliqués au cas des systèmes de refroidissements des moteurs en aéronautique dont les spécifications en terme d'endommagement sont critiques. Cette application permet de s'intéresser à différents types de matériaux et leur couplage lors de l'irradiation laser: métaux (Base Nickel) et céramique (Barrière thermique).

Micrographie optique d'un perçage par laser. Matériau : KCN22W

Champ de contraintes à l'échelle du micron (ANR MICROSTRESS)

Collaborations : EDF R&D, UR Navier, LMS-X, CEA-Grenoble, LCG-Mines St-Etienne, CEA-Cadarache, LEME

Le but de ce projet est le développement des mesures du champ des contraintes, dans les matériaux polycristallins d'usage industriels, avec une résolution spatiale micrométrique, afin de caractériser les hétérogénéités intragranulaire des contraintes. Au laboratoire PIMM, nous allons essentiellement travailler sur la technique de microdiffraction Laue, disponible sur la ligne BM32 de la source synchrotron ESRF, et des confrontations avec la méthode d'EBSD à haute résolution angulaire (développé au LCG, St Etienne) sont prévues. Le coeur du projet est l'optimisation du montage expérimental et du traitement des images de Laue, l'estimation d'une incertitude réaliste sur les résultats obtenus, et l'application de ces méthodes récentes au cas de matériaux d'usage industriels lors de petites déformation plastiques. Trois thèses rentrent dans le cadre de ce projet.

La thèse de M. Fengguo Zhang (2011-2014, collaboration avec M. Bornert, UR Navier, financée par le China Scholarship Council) consiste à utiliser la corrélation d'images numériques (DIC) pour exploiter les images de microdiffaction Laue obtenues en rayonnement synchrotron, afin d'être capable de réaliser de véritables cartographies de l'état de contrainte du polycristal avec une résolution spatiale (sub)micrométrique et une résolution en contraintes de l'ordre du MPa.

La thèse de Jean-Baptiste Marijon (2012-2015, collaboration O. Robach, CEA-Grenoble) consiste à utiliser la technique de microdiffraction Laue en rayonnement synchrotron pour obtenir une reconstitution 3-D de la microstructure et du champ des contraintes, sous la surface d'un matériau polycristallin, lors de déformations in-situ.

La thèse de Emeric Plancher (collaboration avec C. Maurice - Mines St Etienne, et J. Stodolna - EDF) consiste à appliquer les techniques d'EBSD Haute Resolution et de microdiffraction Laue pour caractériser le champ des contraintes dans un acier 316L.

(gauche) La microdiffraction Laue permet une caractérisation intragranulaire des matériaux polycristallins. (droite) Cliché de Laue obtenu sur la ligne BM32 de l'ESRF lors d'une traction in-situ d'un échantillon de tungstene massif.

Composites Ti-TiC élaborés par Laser

La thèse de Sébastien Pouzet (2012-2015, allocation Ministère) est dédiée à l'étude de composites à matrice métallique (notamment Ti-TiC) élaborés par fabrication directe par laser. Il s'agira d'étudier les microstructures obtenues en fonction des conditions d'élaboration, les propriétés mécaniques associées, afin d'optimiser le procédé. Cette thèse est réalisée en collaboration avec le groupe Laser du laboratoire (Patrice Peyre).

Microstructure d'un composite Ti-TiC obtenu en Fabrication Directe par Laser.

Traitement laser des surfaces; passivité des surfaces

Collaborations : CEA-Saclay

L’un des éléments essentiels du circuit primaire des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP) est le générateur de vapeur constitué de tubes en alliage 690 sélectionné en raison de sa  très bonne résistance à la corrosion généralisée et à la corrosion sous contrainte. Une thèse précédente menée au CEA sur l’acier inoxydable 304 a montré la potentialité du traitement de surface par refusion laser pour améliorer la résistance à la corrosion dans le temps, tout en conservant de bonnes propriétés en volume.

L’objectif de la thèse de Lucille Gouton (nov 2012 – oct 2015), menée entre le CEA et les groupes CoMet et Laser du PIMM, est d’étudier l’influence de l’interaction laser sur la surface d’un alliage 690 dans l’objectif de favoriser la formation d’une fine couche de chromine continue pour améliorer la passivité de la surface. Deux voies de mise en œuvre seront étudiées :

  • Le traitement de surface par refusion laser
  • Le revêtement de surface par rechargement laser.

Cette thèse est co-encadrée par V. Favier (PIMM), P. Peyre (PIMM), N. Caron (CEA), W. Pacquentin (CEA), et P. Aubry (CEA).

Analyse des gradients de contrainte par diffraction des rayons X

Collaborations : A. Baczmanski, univ. Cracovie, Pologne

La thèse de Mme Marcisko Marianna (cotutelle avec l'Univ. de Crovovie, Pologne) porte sur l'étude par diffraction des propriétés mécaniques et des contraintes résiduelles résultant de la transformation de surface des matériaux polycristallins. En particulier, l'effet des transformations de surface d'origine mécanique (polissage, usinage, rectification, ..) sont étudiés, sur divers matériaux (alliages d'aluminium, aciers, alliages de Ti, ..).

Comportement d'un matériau multiphasé

Collaborations : H. Sidhom,  ESSTT Tunis, Tunisie

Mme Yahyaoui Houda effectue une thèse, en cotutelle l'ESSTT Tunis, sur le comportement en fatigue des matériaux multiphasés par des approches expérimentales (diffraction des rayons X) et numériques. Les contraintes résiduelles dans les phases cémentite et ferrite sont analysées dans plusieurs aciers perlitiques présentant différentes microstructures, lors d'essais de déformation, notamment en fatigue.

Thèses et post-doctorats passés