CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

Propriétés mécaniques aux petites échelles des matériaux sous haute vitesse de déformation et à haute température. – RATES

Propriétés mécaniques aux petites échelles des matériaux sous haute vitesse de déformation et à haute température

Le projet RATES vise à développer une expertise unique à l’échelle nationale (et quasi-unique au monde) permettant de mesurer/modéliser le comportement des matériaux à l’échelle de quelques microns (échelle des couches de surface, revêtements, zones affectées par les nouveaux procédés de fabrication) à des très hautes vitesses de déformation et des très hautes températures

Enjeux et objectifs

La grande majorité des travaux s’intéressant aux effets d’échelle (au sens propriétés mécaniques) dans les matériaux métalliques sont limités aux faibles vitesses de déformation (< 0.01 /s).et aux températures modérées (< 200 °C). Le domaine des très hautes vitesses de déformation et des hautes températures est encore relativement inexploré, notamment aux petites échelles, malgré l’importance que cela revêt vis-à-vis du développement de nouveaux matériaux et procédés dans le contexte de l’ingénierie des surfaces ou de la résistance au choc. L'un des objectifs est de prendre un positionnement académique de premier plan à l’international sur le sujet et à terme faire bénéficier les entreprises du territoire des nouvelles méthodes de mesures micromécaniques en lien avec leurs métiers. <br /><br />Objectifs scientifiques :<br />Etudier le lien entre effet d’échelle et haute vitesse de déformation dans les matériaux métalliques (monocristaux, verres métalliques, …)<br /> Etudier le lien entre effet d’échelle et haute température dans les matériaux métalliques (monocristaux, verres métalliques, …)<br /> <br />Objectifs technologiques : <br />Développement d’un dispositif permettant de mesurer le comportement des matériaux à l’échelle du micron à des vitesses de déformation de l’ordre de 10 000 /s<br />Développement de méthodes de mesures permettant de solliciter des petites volumes de matériaux à l’échelle du micron jusqu’à 1000°C afin d’évaluer les processus thermiquement activés à l’échelle des surfaces.

Le projet réunit une collection unique d'expertise en matière de tests nanomécaniques (LTDS & LGF) et de simulations à petite échelle des propriétés mécaniques (LaMCoS & SIMaP). RATES tirera parti du dispositif original de nanoindentation conçu pour effectuer des mesures jusqu'à 1000 °C en LTDS (acheté en 2019, il n'en existe que quelques-uns dans le monde) et du dispositif de compression de micro-piliers de LGF mis à jour pour permettre des mesures jusqu'à 1000 s-1. Il convient de noter que ces dispositifs de pointe nécessitent d'intenses efforts de développement pour permettre la mesure du comportement à petite échelle des matériaux dans des conditions aussi extrêmes, ce qui est l'objectif des tâches T1 et T2.
Seules quelques connaissances étant disponibles sur la réponse des matériaux dans de telles conditions, la modélisation computationnelle à petite échelle sera utilisée pour interpréter les résultats. Le développement de tels modèles de calcul (dynamique des dislocations discrètes, dynamique moléculaire étendue) sera l'objectif des tâches T3 et T4.
La tâche T5 sera consacrée à l'étude de la relation entre les propriétés des matériaux à petite échelle, le taux de déformation élevé et la température élevée pour les deux types de matériaux étudiés. À cette fin, des tests de compression sur micro-piliers et de nanoindendation seront effectués. Une caractérisation FIB-TEM sera également nécessaire.
Il faut noter ici que nous limiterons notre projet à des matériaux «modèles« : monocristaux de cuivre ou de nickel FCC fournis par LGF et verres métalliques (CuXZrY) fournis par SIMaP. Les applications de ces techniques à des matériaux plus complexes (industriels) seront traitées dans un second temps, lorsqu'un niveau de maturité significatif aura été atteint grâce au projet RATES. Ceci se fera dans un cadre incluant des partenaires industriels qui ont déjà exprimé leur intérêt pour ce type de mesures.

Les 18 premiers mois de l’ANR RATES ont été principalement consacrés aux développements expérimentaux.
En ce qui concerne l’indentation à haute température, une nouvelle méthode dite High Temperature Scanning Indentation (HTSI), a été mise au point dans le cadre de la thèse de Gabrielle Tiphène (PhD0). Cette méthode permet de suivre l’évolution des propriétés mécaniques des matériaux (dureté, module d’élasticité, sensibilité à la vitesse de déformation) le long de rampes thermiques prédéfinies. Elle repose sur l’utilisation de cycles d’indentation rapide (< 1s) conçus de sorte à mesurer les propriétés recherchées, en s’inspirant des travaux développés dans le domaine par le LTDS et le LGF depuis plus de 10 ans maintenant. L’évolution des propriétés mécaniques étant intrinsèquement reliée à l’évolution de la microstructure des matériaux, la technique HTSI peut être vue comme une technique complémentaire à la DSC ou à la diffraction des rayons X, pour « tracker » la transformation (ou la stabilité) des matériaux en température et qui est adaptée aux matériaux aux petites échelles (couches minces, matériaux à gradient).
Les premiers résultats ont déjà fait l’objet de deux publications sur ces 18 mois, une sur la méthode en elle-même et son application à la recristallisation des métaux, l’autre sur le suivi de la cristallisation de couches minces de verres métalliques en température. La méthode est aujourd’hui pleinement opérationnelle jusqu’à des températures de 600°C (voire 800°C) et les travaux se poursuivent aujourd’hui sur le volet modélisation métallurgique pour quantifier les cinétiques d’évolution microstructurale en fonction des matériaux.
En ce qui concerne le volet haute vitesse de déformation, un nouveau micro-essai de caractérisation mécanique inspiré des essais macroscopiques de cisaillement-compression a été développé. Celui-ci repose sur le micro-usinage d’entailles sur des micropiliers afin d’induire une localisation de la déformation dans un petit volume de matière lors de la micro-compression. Ainsi, la déformation et la vitesse de déformation sont démultipliées. Cette méthode a été validée sur des micropiliers de silice (matériaux amorphes bien connus des membres du consortium) permettant d’aller jusqu’à des vitesses de 2 000 /s mais l’objectif de 10 000 /s est clairement atteignable et peut même être dépassé. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication. Les travaux se poursuivent sur l’augmentation des capacités du dispositif en matière de vitesse d’acquisition, de pilotage et de vitesse d’indentation dans le cadre de la thèse Benédicte Adogou.

En parallèle des développements expérimentaux, les premiers travaux de modélisation « à la bonne échelle » ont pu démarrer. Un modèle de microcompression reposant sur la dynamique discrète des dislocations (logiciel Tridis développé par Marc Fivel, SIMAP) a été conçu par Bénédicte Adogou et sera bientôt utilisé pour étudier les effets de vitesse de déformation dans le cuivre (structure cubique à face centrée) et dans le fer (structure cubique centrée). Les simulations méta-dynamiques, pour étudier les effets de vitesse de déformation dans les amorphes, sont également en cours de développement au LaMCoS (Matias Sepulveda).

Faits marquants:

Le développement de la méthode HTSI (High Temperature Scanning Indentation) et son potentiel en matière d’applications en science des matériaux et en tribologie avec des premières preuves de concept sur la (re)cristallisation des alliages d’aluminium, de cuivre et des verres métalliques en couche mince. Cette méthode innovante rayonne déjà académiquement à travers les communications invitées des membres de l’ANR RATES et les nouvelles collaborations en devenir.

Le développement des essais de micro-cisaillement : ces travaux suivent aujourd’hui leur vie propre dans le domaine de la tribologie à travers le projet CISASURF (Labex Manutech-SISE, 2021-2023) qui a bénéficié des développements réalisés dans RATES.

Le recrutement et l’affectation de Szilvia Kalacska (CR CNRS) au LGF en 2021 pour travailler sur les essais micromécaniques en conditions extrêmes, en droite ligne des développements réalisés dans RATES, avec un volet supplémentaire sur la durabilité sous environnement agressif. SK vient d’être lauréate du projet ANR JCJC intitulé INSTINCT.

1. Tiphéne, Gabrielle, et al. «High-Temperature Scanning Indentation: A new method to investigate in situ metallurgical evolution along temperature ramps.« Journal of Materials Research 36.12 (2021): 2383-2396.
2. Comby-Dassonneville, Solene, et al. «Real-time high-temperature scanning indentation: Probing physical changes in thin-film metallic glasses.« Applied Materials Today 24 (2021): 101126.
3. Guillonneau, Gaylord, et al. «Plastic Flow Under Shear-Compression at the Micron Scale-Application on Amorphous Silica at High Strain Rate.« JOM 74.6 (2022): 2231-2237.

L'étude des propriétés mécaniques aux petites échelles dans des conditions extrêmes - hautes vitesses déformation/température - revêt une importance particulière vis à vis des enjeux à venir en matière de tribologie et de traitement des matériaux, notamment dans le cadre de la maitrise de notre efficacité énergétique. Le projet RATES propose une approche couplant expérimentations et simulations numériques pour adresser ce domaine très vaste mais passionnant. Il repose sur de nouvelles installations expérimentales, presque uniques au monde, ainsi que sur l’expertise des différents partenaires en matière de simulation numérique aux petites échelles. Outre l’objectif de développer des méthodes de caractérisation nanomécaniques pour des conditions extrêmes quasiment jamais atteintes auparavant, ce projet contribuera à résoudre certains problèmes scientifiques émergents, tels que l’effet des hautes vitesses de déformation / températures sur les effets d’échelle dans les matériaux inorganiques.

Coordination du projet

Guillaume Kermouche (LABORATOIRE GEORGES FRIEDEL)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LTDS Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes
LGF LABORATOIRE GEORGES FRIEDEL
LaMCoS LABORATOIRE DE MECANIQUE DES CONTACTS ET DES STRUCTURES
SIMaP Sciences et Ingénierie, Matériaux, Procédés

Aide de l'ANR 458 236 euros
Début et durée du projet scientifique : - 42 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter