MIcrostructure, Mécanique, EXpérimentation

CONTEXTE SCIENTIFIQUE

Le pôle « MIcrostructure, Mécanique et EXpérimentation » (MIMEX) se positionne sur tous les types de matériaux :

1) Métaux et alliages métalliques,
2) Polymères et composites à matrices polymères,
3) Céramiques et réfractaires.

L’identification des mécanismes de déformation, d'endommagement et de rupture nécessite le concours des techniques d'observations microstructurales, à différentes échelles. Par exemple, pour les matériaux composites, de l'échelle d'un sous-système (quelques dizaines de centimètres) à l'échelle des mono-filaments de quelques micromètres de diamètre. La pertinence des paramètres physiques à prendre en compte, pour chaque classe de matériau, repose sur une étude systématique de la taille du volume d'intérêt expérimental ainsi que des données stochastiques dans ce volume. Une interaction permanente est instaurée entre l'expérimentation et la modélisation à l'échelle du milieu continu depuis la conception des essais jusqu'au calcul de structure, le but étant de cibler des essais dédiés en accord avec la problématique industrielle et scientifique posée. Le pôle MIMEX met ainsi en œuvre une expérimentation et une modélisation multi-échelles faisant le lien entre l'approche locale (à l'échelle de la microstructure) et l'approche globale (à l'échelle macroscopique). L’intégration dans les outils de calcul de (micro)structure est réalisée en coopération avec les numériciens du Centre (SIMS) et de laboratoires d’autres institutions.

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Les thèmes de recherche

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MICROSTRUCTURES

 

L’analyse des mécanismes des phénomènes physiques mis en jeu nécessite le recours intensif aux observations microstructurales, à différentes échelles et à leur description quantitative, afin d’introduire les paramètres physiques pertinents dans l'approche proposée en mécanique expérimentale et théorique. L'évolution microstructurale au cours d’un chargement thermomécanique (lors de la mise en œuvre ou en cours de service) est mise en avant. Elle permet ainsi :

1) le développement de matériaux nouveaux,
2) l'étude de changements de phases,
3) l'analyse de phénomènes de vieillissement en cours de service (oxydation, endommagement, etc.)

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MÉCANIQUE EXPÉRIMENTALE

Mettant l'accent sur l'évolution de la microstructure en cours de chargement thermomécanique, l'expérimentation se développe sur la constitution de base de données à l'échelle de la microstructure. La mise en place d'essais in situ en tomographie/laminographie a permis d'accéder aux mécanismes de déformation en volume. Selon le problème abordé, le pôle MIMEX propose et conçoit deux types d'essai mécanique.

D'une part, des essais simples exploitables de manière analytique en optimisant la géométrie des éprouvettes et l'instrumentation pour une implémentation chez nos partenaires industriels afin d'améliorer une méthodologie expérimentale.

D'autre part, des essais mécaniques complexes avec des instrumentations et de la modélisation poussées, simulant un chargement réel (cycle moteur d'avion d'une aube de turbine) sur structure industrielle. Ces essais peuvent se faire sous environnement contrôlé (air, atmosphère, humidité, etc.) voire sous environnement sévère tel que la corrosion sous contrainte, en étroite collaboration avec des partenaires équipés pour des essais spécifiques.

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MÉCANIQUE THÉORIQUE ET NUMÉRIQUE


En interaction avec l'étude de l'évolution de la microstructure et la mécanique expérimentale, le pôle met en œuvre les théories basées sur la mécanique des milieux continus, l'homogénéisation, la mécanique de l'endommagement et la mécanique de la rupture. La modélisation fine des phénomènes physiques se décline ainsi à deux échelles :

1) l'approche globale se basant sur les observables macroscopiques dédiée aux pièces industrielles en service,
2) l'approche locale appuyée par les mécanismes à l'échelle de la microstructure.

Cette dernière amène le pôle à effectuer des calculs de microstructure propices aux échanges avec des élaborateurs de matériaux. Une interaction forte se fait avec l'équipe SIMS pour implémenter sur le code par éléments finis du Centre (Z-set) des lois de comportement à diverses échelles, couplées ou non (posttraitement) avec l'endommagement.

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MÉTHODOLOGIE


L’approche développée au sein du pôle Microstructure, Mécanique et Expérimentation s’appuie sur la mise en évidence et l’observation de phénomènes physiques sur la base desquels des modèles sont développés. Ces modèles sont ensuite validés sur des éprouvettes de laboratoire, avant d’être utilisés pour optimiser le comportement de nouveaux matériaux pour les élaborateurs et prédire la durée de vie de composants industriels pour les exploitants. L’expertise des mécanismes physiques s’adresse à tout type de matériaux (alliages métalliques, polymères, composites à matrices polymères, céramiques et réfractaires) et à toutes les étapes de la « vie » de ces matériaux.

La compréhension des phénomènes physiques résulte d’un fort couplage entre, d’une part, des moyens de caractérisation mécanique classiques (sollicitations mécaniques monotones, fatigue, fluage), en environnement contrôlé (-196 °C à +2000 °C), soit par le développement de moyens spécifiques (dilatométrie sous vide à très faible charge, machine de traction – torsion, dosage en temps réel de l’austénite résiduelle, Gleeble), et d’autre part, l’utilisation des techniques d’observation structurale (microscopie optique et électronique, EBSD, FIB, tomographie /laminographie). Afin de reproduire au mieux certaines conditions rencontrées en service, une plate-forme d’essais jusqu’à 25 m/s avec mise en température (– 130 °C à + 300 °C) permet l’étude du comportement et de la rupture sous sollicitations rapides.

 

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Constance Chanh, Anas Gourment, Betrand Petit, Anne-Franoise Gourgues-Lorenzon. Experimental determination of 3D crack propagation scenario in resistance spot welds of a martensitic stainless steel International Journal of Fracture, Springer Verlag, In press, ⟨10.1007/s10704-022-00626-2⟩

Raffaele Russo, Vikram Phalke, Didier Croizet, Mustapha Ziane, Samuel Forest, Frank Andrs Girot Mata, Hyung-Jun Chang, Arjen Roos. Regularization of shear banding and prediction of size effects in manufacturing operations: A micromorphic plasticity explicit scheme International Journal of Material Forming, Springer Verlag, 2022, 15 (3), pp.21. ⟨10.1007/s12289-022-01657-9⟩

Kevin Pachuta, Halyna Volkova, Benjamin Hirt, Marie-Hlne Berger, Emily Pentzer, Alp Sehirlioglu. Liquid?phase exfoliation method to access cobalt oxide nanosheets in pH?neutral solutions Journal of the American Ceramic Society, Wiley, 2022, 105 (3), pp.1904-1912. ⟨10.1111/jace.18199⟩

Vikram Phalke, Tobias Kaiser, Jean?michel Scherer, Samuel Forest. Modeling size effects in microwire torsion: A comparison between a Lagrange multiplier-based and a CurlF p gradient crystal plasticity model European Journal of Mechanics - A/Solids, Elsevier, 2022, pp.104550. ⟨10.1016/j.euromechsol.2022.104550⟩

Tatu Pinomaa, Matti Lindroos, Paul Jreidini, Matias Haapalehto, Kais Ammar, Lei Wang, Samuel Forest, Nikolas Provatas, Anssi Laukkanen. Multiscale analysis of crystalline defect formation in rapid solidification of pure aluminium and aluminium?copper alloys Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Royal Society, The, 2022, 380 (2217), ⟨10.1098/rsta.2020.0319⟩

Flavien Ghiglione, Samuel Forest. On the torsion of isotropic elastoplastic Cosserat circular cylinders Journal of Micromechanics and Molecular Physics, World Scientific Publishing, 2022, pp.1-14. ⟨10.1142/S2424913021420078⟩

Stphane Gillet, Thomas Jacopin, Sbastien Joanns, Nacera Bedrici, Lucien Laiarinandrasana. Short-term creep and low cycle fatigue unified criterion for a hybridised composite material International Journal of Fatigue, Elsevier, 2022, 155, pp.106571. ⟨10.1016/j.ijfatigue.2021.106571⟩

Matti Lindroos, Jean-Michel Scherer, Samuel Forest, Anssi Laukkanen, Tom Andersson, Joona Vaara, Antti Mntyl, Tero Frondelius. Micromorphic crystal plasticity approach to damage regularization and size effects in martensitic steels International Journal of Plasticity, Elsevier, 2022, 151, pp.103187. ⟨10.1016/j.ijplas.2021.103187⟩

Kais Ammar, Tatu Pinomaa, Matti Lindroos, Paul Jreidini, Matias Haapalehto, Lei Wang, Samuel Forest, Nikolas Provatas, Anssi Laukkanen. Multiscale analysis of crystal defect formation in rapid solidification of pure aluminium and aluminium-copper alloys Preprint, 2022

Vincent Maurel, Marion Bartsch, Marie-Helene Vidal-Stif, Robert Vaen, Vincent Guipont. Coated single crystal superalloys: processing, characterization, and modeling of protective coatings Nickel Base Single Crystals Across Length Scales, Elsevier, pp.283-338, 2022, ⟨10.1016/B978-0-12-819357-0.00018-4⟩

 

 

MIcrostructure, Mécanique, EXpérimentation - MINES ParisTech
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