Matériaux à architecture élémentaire sur mesure pour réponse fonctionnelle optimisée : de l'expérience à la simulation – METAFORES

Durant les dernières décennies, une stratégie pour l'amélioration des matériaux de structure multifonctionnels (MSMF) a consisté à accroître la complexité et réduire la taille de leur microstructure. Le projet METAFORES se concentre sur une classe de MSMF, les métaux nanostructurés cuivre/niobium (Cu/Nb) à haute résistance mécanique et haute conductivité électrique dont le choix est motivé par leur application dans les aimants à haut champ. Les participants LNCMI et Pprime ont montré comment leurs mécanismes de déformation sont modifiés par la réduction de la taille des grains et la modification de la géométrie. Cependant, l'origine de cette observation n'est pas claire ; seules des techniques expérimentales avancées couplées à des outils de simulation peuvent aider à comprendre le rôle exact de l'architecture (par rapport à l’effet de taille) dans la réponse mécanique macroscopique. Le projet s'appuie ainsi sur trois axes: 1) la caractérisation expérimentale des microstructures, 2) la modélisation micromécanique et 3) la mesure des distributions de déformation élastique. Le premier axe vise à fournir des données précises et statistiquement pertinentes sur la géométrie des grains, la texture et les désorientations pour assurer une représentation réaliste de la microstructure dans les calculs par éléments finis et effectuer une modélisation micromécanique et électrique robustes (participants PIMM et MINES). Des corrélations et des lois d'échelle reliant contrainte, durcissement et densités de dislocations seront introduites dans les équations constitutives de plasticité cristalline utilisées dans le deuxième axe du projet. Toutefois, ces lois n’étant pas suffisantes pour décrire la dépendance en taille des champs de déformation plastique, des modèles sophistiqués de « continuum » sont nécessaires pour réaliser des calculs en champ complet et comparer avec les mesures du champ de déformation. Par conséquent, les méthodes d’homogénéisation récemment développées à MINES seront utilisées pour calculer les champs complets et la réponse effective des microstructures cristallines multiphasées, en incluant les modèles de plasticité cristalline dépendant de la taille. Cette nouvelle approche sera appliquée pour étudier les effets de microstructure et d'architecture. En parallèle, une approche moins coûteuse en temps sera développée: les méthodes d'homogénéisation en champ moyen, comme le schéma auto-cohérent, sont particulièrement bien adaptées aux polycristaux. Mais contrairement à une approche en champ complet, ce schéma considère une contrainte uniforme à l'intérieur des grains; cet inconvénient sera résolu en utilisant le modèle de Ponte-Castaneda et Willis où des caractéristiques microstructurales sont prises en compte (forme et agencement géométrique des grains). Cette seconde approche originale devrait permettre d'obtenir des informations supplémentaires sur l'effet de l'alignement des grains de Cu et Nb dans les nanocomposites. Le troisième axe traite des expériences in situ de déformation permettant de mesurer la distribution non uniforme des déformations à l'intérieur des composites lors du chargement mécanique. La diffraction permettant la mesure non destructive des déformations internes dans les différentes phases des nanocomposites, des mesures in situ sous chargement seront effectuées en utilisant une machine de traction montée sur le diffractomètre 6T1 à neutrons thermiques (participant LLB). Les figures de pole obtenues aideront à caractériser la réponse mécanique du Nb et des différentes échelles de Cu et ainsi comparer la distribution des déformations expérimentales aux simulations. Enfin, tous les résultats expérimentaux et de simulation seront combinés afin d'évaluer les rôles distincts de la microstructure et de l’architecture en vue de définir des critères de conception pour MSMF adaptés non seulement du point de vue du choix des matériaux mais aussi de leur géométrie (microstructure et forme).