Département Matériaux et Structures

La durée de vie en fatigue des matériaux métalliques peut varier de plusieurs ordres de grandeur pour des conditions de chargement identiques. Cette dispersion provient notamment de variabilité microstructurale du matériau. En effet, la fatigue résulte de l'accumulation microscopique de plasticité, qui est dépendante de la morphologie et l'orientation des grains du matériau. Actuellement, les modèles de durée de vie en fatigue ne reproduisent que qualitativement cette dispersion. Le projet MINIFAT-4D AnR vise à lier la plasticité intragranulaire à la fissuration par fatigue, en vue de modéliser quantitativement l'influence de la microstructure sur la durée de vie et sa variabilité. Pour cela, le projet s'appuiera, d'une part, sur le développement d'essais de fatigue novateurs, imagés in-situ en 3D en utilisant la tomographie par diffraction des rayons X au synchrotron (DCT, 3D-XRD, topotomographie). Ils permettront de caractériser simultanément la microstructure, les déformations plastiques/élastiques microscopiques, l'initiation et la propagation des fissures de fatigue d'échantillons en superalliage base de nickel, avec une résolution inférieure au micron. D'autre part, un modèle de plasticité cristalline à gradient sera conçu, dans le but de prédire avec précision la formation et l'intensité des bandes de glissement au sein des grains du matériau étudié. Il sera ensuite utilisé pour simuler les microstructures caractérisées lors des essais 4D, pour permettre des comparaisons essais-calculs. Celles-ci serviront pour l'identification du modèle de plasticité cristalline, et pour construire des critères prédictifs de la localisation et la durée de nucléation et propagation des fissures. Dans l'ensemble, ce projet contribuera à accroître la compréhension de la fatigue à l'échelle microstructurale, et servira le développement de modèles de fatigue prédictifs, prenant en compte l'influence de la microstructure.

L’émission thermique est un des mécanismes principaux de transfert de chaleur, qui va permettre à un objet chaud de se refroidir. Le rayonnement émis a un spectre décrit par la loi de Planck, et se fait essentiellement dans l’infrarouge. Ce rayonnement peut être détecté dès lors qu’il se fait dans les bandes de transparence de l’atmosphère (3-5 µm et 8-12 µm), ce qui est une des motivations originelles du développement de la détection infrarouge dans un cadre défense. Par ailleurs, la loi de Stefan-Boltzmann stipule que l’évolution de l’exitance se fait à la puissance 4 de la température. Dans un contexte défense, cela signifie que des objets chauds (réacteurs, missile) vont avoir une émission très importante qui les rendra détectables par des systèmes optroniques à une grande distance. Pour des applications civiles, impliquant une émission de lumière, comme le thermophotovoltaïque, il est indispensable de travailler à haute température pour obtenir des rendements raisonnables. Le domaine des métamatériaux optiques a connu un essor considérable depuis une quinzaine d’années, et il a été démontré qu’il était possible de les utiliser pour modifier à loisir l’émissivité d’une surface. Cependant, les matériaux classiquement utilisés en nanophotonique ont des températures de fusion qui se situent en général dans la gamme [1000-1500 K] et la température maximum est fortement limitée par les interdiffusions entre les matériaux. Dans ce contexte encore en recherche de solutions performantes, le projet Héméré propose de développer des métamatériaux à base de matériaux céramiques ultraréfractaires fonctionnant à haute température, pour contrôler la signature infrarouge d’objets chauds. Le projet va combiner les compétences et connaissances de la nanophotonique et des matériaux céramiques réfractaires. La nanophotonique permet de modifier l'émissivité d'une surface en utilisant des nano-antennes optiques mais elle a été démontrée à des températures peu élevées (~1000K). Les céramiques ultraréfractaires ont des températures de fusion plus élevées, mais il y a plusieurs verrous techniques à lever pour associer ces deux disciplines scientifiques. D’abord, il faut accroître la connaissance du comportement électromagnétique des matériaux céramiques ultraréfractaires en fonction de la température. Ensuite, il faut repenser la conception électromagnétique des métamatériaux en intégrant ces nouveaux matériaux. Enfin, la capacité à structurer les céramiques pour fabriquer des nanostructures optiquement résonantes est un dernier verrou. Dans ce projet, nous visons deux catégories d’objectifs autour de deux familles de matériaux (ZrC et ZrO2 dopé à l’yttrium) : A – Connaissance des matériaux céramiques Ces objectifs sont d’ordre méthodologiques et visent au développement : i) De cibles et de substrats de matériaux réfractaires avec des propriétés contrôlées ii) De couches minces de matériaux céramiques iii) De techniques de nanostructurations de ces matériaux iv) De modèles thermo-optiques B – Métamatériaux céramiques haute température Nous visons de développer 3 familles d’émetteurs basées sur des résonances optiques : i) Cavité optique lambda/4 ii) Nano Fabry-Pérot couplés iii) Métamatériau multi-MIM Les critères de réussite du projet HEMERE sont : 1. Procédés de dépôts de couches minces 2. Modèles optiques infrarouge en fonction de la température de matériaux céramiques 3. Procédés de nano-structurations de matériaux céramiques. 4. Conception de nanoantennes usuelles intégrant les matériaux céramiques 5. Démonstration expérimentale à haute température d’un dispositif émetteur IR spectral fin (T>1000 K). 6. Démonstration expérimentale à haute température d’un dispositif émetteur spectral large (T>1000 K). Le développement de ces métamatériaux ouvre des perspectives importantes vers des applications allant de la furtivité, au développement de sources infrarouges ou le thermophotovoltaïque.

Le traitement thermomécanique des polycristaux métalliques peut modifier considérablement les propriétés mécaniques macroscopiques. Ces changements peuvent s'expliquer par une évolution significative à l'échelle microscopique due à la déformation viscoplastique hétérogène des grains cristallins et aux processus de recristallisation ultérieurs ou simultanés. Avec l'invention de techniques telles que la microscopie électronique, il est devenu possible d'observer expérimentalement l'évolution microstructurale. Plusieurs des mécanismes impliqués peuvent également être étudiés par des simulations numériques. L'objectif de ce projet est de mieux comprendre cette évolution par des comparaisons en plein champ entre les simulations numériques et les observations expérimentales in situ sur des polycristaux d'aluminium pur, et de fournir un cadre numérique qui peut être utilisé pour prédire la microstructure recristallisée dans un polycristal métallique après traitement thermomécanique.

Les matériaux opérant à haute température tiennent leurs propriétés et leur durabilité de microstructures optimisées. L’objectif du projet est d’analyser les phénomènes de diffusion qui sous-tendent les évolutions microstructurales dans les systèmes polyconstitués, en incluant les interactions diffusion-déformation, et de développer des outils de simulation numérique à même d’anticiper ces évolutions. Ceci sera accompli grâce à un modèle multiéchelle, multiphysique, dont le développement sera soutenu par un travail expérimental innovant. Le modèle s’attachera à décrire l’évolution temporelle de systèmes métalliques à gradients de composition, sous l’effet de la diffusion et des équilibres thermodynamique et mécanique locaux. La simulation des éléments de microstructure (pores, phases) à l’échelle du grain (~ 10 µm) servira à étudier les mécanismes de diffusion et à dériver des modèles d’homogénéisation utilisés dans la simulation de polycristaux (~ 100 µm). Cette approche inclura aussi un dialogue entre formulations 1D et 3D, où la formulation 1D est utilisée pour élaborer le modèle de diffusion de base et simuler des systèmes homogénéisés, tandis que la formulation 3D permet de prendre en compte les éléments de microstructure de manière spatialement résolue, ainsi que la multiaxialité de l’état de contrainte. Des expériences de couples de diffusion seront conduites sur des alliages modèles de microstructures contrôlées. Celles-ci seront conçues par degrés de complexité croissants, dans le but d’accompagner des aspects spécifiques du modèle de diffusion. Les champs de déformation locaux résultant de l’interdiffusion seront mesurés à l’aide de marqueurs inertes et de techniques de corrélation d’images, dans le but d’étudier le rôle de la microstructure dans les mécanismes de diffusion. Des couples de diffusion seront également soumis à un chargement mécanique, produisant un test de fluage avec gradient de composition contrôlé, permettant une caractérisation des effets des contraintes mécaniques externes sur la diffusion. L’association des travaux expérimentaux et de modélisation fournira un cadre permettant une meilleure compréhension l’interdiffusion dans les systèmes complexes, y compris les déformations et porosités induites par la diffusion. Cet effort trouvera son application principale dans l’analyse de la durée de vie de structures à parois fines et de systèmes alliage-revêtement, contribuant ainsi au développement accéléré de matériaux et structures plus performants. A long terme, les méthodes proposées dans le projet LEMONADE contribueront aussi à la meilleure intégration du vieillissement microstructural dans les simulations mécaniques complexes.