Soutenance de thèse de Jules Baton

4 juin 2021

Jules Baton soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 4 juin 2021

Structures de dislocations dans le tantale pur déformé à froid : évolutions et influences sur la restauration et la recristallisation

Jules Baton a réalisé sa thèse dans l'équipe MSR, sous la supervision de Nathalie Bozzolo et Charbel Moussa dans le cadre d'un projet de recherche avec le CEA. Jules Baton soutiendra sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 4 juin 2021 devant le jury suivant :

– Brigitte BACROIX, Directeur de recherche CNRS, Université Paris 13, Rapporteur

– Javier SIGNORELLI, Professeur, Universidad Nacional de Rosario, Rapporteur

– Andrea TOMMASI, Directeur de recherche CNRS, Université de Montpellier, Examinateur

– Vladimir ESIN, Chargé de recherche, MINES ParisTech – Université PSL, Examinateur

– Wilfried GESLIN, Ingénieur, CEA Valduc, Invité

Résumé :

Du fait de sa grande ductilité à température ambiante, le tantale pur est idéal pour la mise en forme à froid de pièces à géométries complexes avec des risques de rupture minimes. L’objectif de cette thèse est de comprendre et proposer une description des mécanismes physiques qui se déroulent lors d’une déformation plastique suivie d’un traitement thermique.

Différents échantillons de tantale pur ont été déformés à froid par compression et laminage. Les microstructures déformées ont été ensuite caractérisées par microscopie électronique à balayage à l’échelle des grains et des sous-structures. Ces caractérisations ont révélé que le développement de sous-structures est fortement influencé par l’orientation cristallographique des grains et également par la texture de l’état initial. En particulier, les grains de la fibre γ forment plus de sous-structures que ceux de la fibre θ. Ces différences ne peuvent pas être correctement retranscrites uniquement par les valeurs de densité de dislocations. D’autres paramètres permettant de quantifier les sous-structures ont été proposés et leurs évolutions ont été décrites par des modèles.

La recristallisation est très impactée par la dépendance de l’état déformé à l’orientation cristallographique. La germination est favorisée dans les grains de la fibre γ en raison du développement de sous-structures plus important lors de la déformation. Cette hétérogénéité de comportement peut être bien décrite par l’énergie stockée lorsqu’elle est estimée à l’échelle des sous-structures. La restauration a été étudiée de manière directe et indirecte à travers ses effets sur la recristallisation avec différents pré-traitements de restauration. Deux effets opposés sur la recristallisation ont été observés. Un premier effet défavorable est lié à l’annihilation des dislocations, ce qui implique une diminution de la force motrice pour la recristallisation. Un second effet favorable est lié à l’amélioration de l’aptitude à migrer des sous-joints, ce qui favorise la germination. L’effet global de la restauration sur la recristallisation est conditionné par l’équilibre entre ces deux effets. Cet équilibre varie en fonction du niveau de déformation, de l’orientation cristallographique et des conditions du pré-traitement de restauration (temps et température).

Mots-clés : Tantale, microstructure, structure de dislocations, restauration, recristallisation

Soutenance de thèse de Yoan Boussès

5 mai 2021

Yoan Boussès soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 5 mai 2021

Prédiction et modélisation des propriétés mécaniques des composites dentaires – approche expérimentale, théorique et numérique

Yoan Boussès a fait sa thèse dans l'équipe CSM, sous la direction de Yannick Tillier, CEMEF et de Nathalie Brulat,Chercheure associée, Faculté de Chrirurgie Dentaire, Université Côte d'Azur. Ce projet a été mené dans le cadre du projet ANR Toothbox* sur financement d'Armines. Il soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 5 mai 2021 devant le jury suivant :

Pr. Brigitte GROSGOGEAT (Univ. Lyon 1 LMI-Univ. Claude Bernard, Villeurbanne) : rapporteur
Pr. Daniel RITTEL (Inst. de Technologie d'Israël, Haifa, Israël) : rapporteur
Pr. Pierre COLON (Université de Paris, Paris) : examinateur
Pr. Pierre-Olivier BOUCHARD (MINES ParisTech-CEMEF, Sophia Antipolis) : examinateur

Résumé :

Les lésions carieuses étant les pathologies dentaires les plus répandues, la restauration des tissus lésés est un problème de santé publique mondial. Les fabricants de résines composites de restauration se doivent donc de proposer des matériaux toujours plus performants et durables tout en répondant aux recommandations sanitaires. Ce processus de développement est coûteux et pourrait être amélioré par une meilleure compréhension de leur comportement mécanique et par l’élaboration de modèles théoriques et numériques prédictifs de leurs propriétés.

Dans cette thèse, un matériau expérimental est testé avant et après des protocoles de vieillissement accéléré (thermocyclage). Un protocole expérimental détaillé a été établi pour que les résultats soient reproductibles et comparables entre eux. Des modèles prédictifs de la limite élastique et du module élastique, initialement proposés pour d’autres applications, sont confrontés aux résultats de campagnes expérimentales puis adaptés aux spécificités des composites dentaires, fortement chargés. Le recours à un modèle numérique de composite permet en outre d’enrichir la base de données expérimentale en jouant par exemple sur les modules des constituants, sans avoir à produire réellement les matériaux. Malgré certaines limitations de cette approche innovante, la confrontation des résultats expérimentaux, théoriques et numériques offre des perspectives très encourageantes. Ils permettent notamment de prédire plus simplement des caractéristiques essentielles des composites, d’effectuer des liens directs entre des propriétés macroscopiques et microscopiques, et d’améliorer la compréhension des mécanismes de vieillissement de ces matériaux.

Mots-clés : Caractérisation mécanique des composites dentaires, Thermocyclage, Interfaces, Modélisation numérique, Propriétés élastiques

Image MEB des deux faciès de rupture d'un composite non-vieilli. Observation de charges fracturées (en rouge) et contournées (vert et bleu)

*Projet ANR-16-CE08-0024 – TOOTHBOX – Boite à outils expérimentale et numérique pour le développement de composites dentaires plus durables

Soutenance de thèse de Prashanth Thirunavukkarasu

31 mars 2021

Prashanth Thirunavukkarasu soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 31 mars 2021

Analyse du comportement en écoulement à la paroi de polymères dans des conditions de mélangeur interne

Prashanth Thirunavukkarasu a réalisé sa thèse dans l’équipe CFL avec Edith Peuvrel-Disdier et Rudy Valette sur un projet de recherche avec Michelin.

Résumé de sa thèse :

Le procédé de mélange interne est crucial pour la fabrication de mélanges de caoutchouc car il détermine les propriétés finales du produit. La compréhension des phénomènes interfaciaux lors du mélange est cruciale pour l’évaluation du procédé, la détermination des paramètres du procédé et la simulation numérique du procédé. Ces phénomènes comprennent le glissement à la paroi, l’adhésion et le mouvement des surfaces libres. L’évolution des vitesses de glissement a été caractérisée indirectement avec des méthodes rhéologiques classiques. Un prototype a été conçue et développée pendant cette thèse afin d’observer les surfaces libres des fluides visqueux sous cisaillement en régime permanent. Un petit volume d’un fluide silicone visqueux permette l’observation des surfaces libres en contre-rotation. Les vitesses de stabilisation ont été étudiées pour différentes conditions de vitesse des cylindres, de volume de fluide, de rugosité de surface et de nature des surfaces de cylindre. La contribution de l’énergie d’adhésion semble négligeable. Enfin, l’influence du cisaillement sur le mouvement et la forme des surfaces libres a été explorée par la méthode des éléments finis. L’énergie d’adhésion a été intégrée dans les simulations numériques qui montrent un effet clair de l’énergie d’adhésion sur la forme et le mouvement de la surface libre. Par contre, le niveau d’énergie d’adhésion nécessaire dans le cas des fluides visqueux est beaucoup trop élevé pour être observé expérimentalement.

Mots-clés : Mélange interne, Caoutchouc, Glissement à la paroi, Mouvement des surfaces libres, Adhésion

Soutenance de thèse de Malik Durand

18 janvier 2021

Malik Durand soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 18 janvier 2021

Analyse des mécanismes métallurgiques survenant dans l'alliage AD730TM au cours du revenu de relaxation des contraintes

Malik Durand a réalisé sa thèse dans l'équipe MSR, sous la direction de Nathalie Bozzolo dans le cadre de la chaire ANR Safran OPALE. Il soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 18 janvier 2021 devant le jury suivant :

– Alain JACQUES, IJL, Rapporteur

– Bernard VIGUIER, IRIMAT-ENSIACET, Rapporteur

– Rodrigue DESMORAT, ENS CACHAN, Examinateur

– Fabien PAUMIER, PHYMAT, Examinateur

– Jonathan CORMIER, ISAE-ENSMA, Examinateur

– Jean-Michel FRANCHET, SafranTech, Invité

Résumé :

Des analyses multi-échelles ont été effectuées en laboratoire pour identifier les mécanismes microstructuraux contrôlant la relaxation des contraintes pendant le traitement de revenu du superalliage pour disques AD730TM. Pour une vitesse de refroidissement préalable de 100°C.min-1 et une contrainte initiale de 500 MPa à 760 °C, l’essai de relaxation montre un comportement atypique avec une relaxation ralentie durant les 25 premières heures, puis, passé ce laps de temps, le comportement en relaxation devient plus classique. Pour comprendre ce comportement atypique, des essais de dilatométrie isotherme ont été utilisés pour découpler les effets de la contrainte et de la température. Ces derniers ont révélé une contraction de l'échantillon lorsqu'il était soumis à une température constante. Cette contraction induit une augmentation de la contrainte pendant l'essai de relaxation pour répondre à la condition de déformation totale imposée constante. La relaxation est alors contrôlée par la compétition entre les mécanismes de relaxation classiques (diffusionnels et dislocationnels selon le niveau de contrainte) qui tendent à diminuer la contrainte et la contraction de l'éprouvette qui, au contraire, augmente la contrainte pendant l'essai. Pour comprendre l’origine de la contraction isotherme, des échantillons de l'alliage AD730TM polycristallins et monogranulaires ont été caractérisés par différentes techniques à différentes échelles. La contraction macroscopique trouve son origine dans la redistribution des éléments chimiques entre la matrice et les précipités durcissants, qui induit une diminution des paramètres de maille des deux phases. Ce travail mené sur l’alliage AD730TM a également confirmé des résultats similaires obtenus pour l’alliage Rene 65 et les mécanismes décrits pourraient très vraisemblablement s’appliquer à d’autres superalliages base nickel pour lesquels une contraction isotherme d’amplitude similaire est également observée. Les mesures réalisées par diffraction des rayons X ont par ailleurs permis d’estimer l’évolution de l’écart relatif des paramètres de mailles pour cet alliage, positif à température ambiante (+0,03%) à négatif (-0,007%) à 900°C, en passant par zéro aux températures typiques du revenu ou ciblées pour la vie en service de l’alliage.

Mots-clés : Superalliage base nickel, relaxation, contrainte, microstructure, désaccord paramétrique

Schéma bilan décrivant les mécanismes mis en jeu durant les essais de relaxation

Soutenance de thèse d’Ayoub Aalilija

17 décembre 2020

Ayoub Aalilija soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 21 décembre 2020

Modélisation numérique de la solidification des aciers fondus en lévitation dans la Station Spatiale Internationale.

Ayoub Aalilija a réalisé sa thèse dans l'équipe 2MS, sous la direction de Charles-André Gandin dans le cadre d'un projet avec l'ESA, Agence Spatiale Européenne. Il soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 21 décembre 2020 devant le jury suivant :

Full P. Emmanuelle ABISSET-CHAVANNE (ENSAM Bordeaux-Equipe Trefle-I2M, Talence) : rapporteur

Assoc. Prof. Douglas MATSON (Tufts School of Eng. Robinson Hall, Medford, Etats-Unis) : rapporteur

Pr. Catherine COLIN (Inst. Nat. Polytechnique de Toulouse-Inst. Meca. des Fluides, Toulouse) : examinateur

Pr. Elie HACHEM (MINES ParisTech-CEMEF, Sophia Antipolis) : examinateur

Résumé :

L'étude de la solidification en microgravité permet aux chercheurs de dissocier les phénomènes indépendants de la gravité de ceux qui en dépendent. L'objectif est de parvenir à une meilleure compréhension de la solidification permettant à l'industrie métallurgique d'atteindre les propriétés recherchées pour les produits métalliques et d'éviter les défauts qui apparaissent lors de leur élaboration. C'est dans ce contexte que les projets NEQUISOL et CCEMLCC de l'Agence spatiale européenne sont définis. Dans le cadre de ces deux projets, nous proposons une modélisation numérique pour simuler les expériences de solidification d'échantillons métalliques en lévitation électromagnétique dans la Station Spatiale Internationale. Notre outil numérique est basé sur la résolution par éléments finis des équations de conservation de l'énergie, de la masse totale, de la quantité de mouvement et de la masse des espèces chimiques d'un système multi-domaine impliquant un alliage métallique multicomposant. Une formulation monolithique permet la résolution d'un seul système d'équations sur un seul maillage eulérien. Une formulation éléments finis VMS stabilisée est proposée pour résoudre les équations de Navier-Stokes. La modélisation est enrichie par la prise en compte du retrait de solidification, de la tension de surface et de l'effet Marangoni agissant à l'interface liquide-gaz. Un modèle de résistance thermique de contact est développé et validé, permettant de prendre en compte les imperfections de contact thermique entre les différents matériaux. La méthode Level Set est utilisée pour modéliser les interfaces entre les sous-domaines. L'interface liquide-solide dans le sous-domaine métallique est implicitement représentée par la méthode de la moyenne volumique. Dans un premier temps, nous proposons des simulations d'expériences de mesure de la tension de surface et de la viscosité des métaux liquides en utilisant la technique de la goutte oscillante en microgravité. Ce benchmark offre une comparaison quantitative entre les résultats numériques et une solution analytique que nous avons dérivée en 2D et 3D. Une fois que nous avons validé notre modélisation numérique de la dynamique de l'interface liquide-gaz, nous effectuons des simulations de solidification d'une gouttelette d'acier et la comparons aux données de la première et unique expérience réalisée dans la Station Spatiale Internationale dans le cadre du projet CCEMLCC.

Mots-clés : Simulation numérique; Éléments Finis; Level Set; Tension de Surface; Marangoni; Résistance thermique de contact; Goutte oscillante; Solidification; Microgravité

Soutenance de thèse de Vincent Maguin

11 décembre 2020

Vincent Maguin soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 16 décembre 2020.

“Simulation multiphysique de la macroségrégation et de la formation des freckles lors de la solidification d’aubes de turbines monocristallines”

=> Animation avec une rotation de 90°

Vincent Maguin a réalisé sa thèse dans l’équipe 2MS, sous la direction de Charles-André Gandin sur un projet avec SafranTech. Il présentera ses travaux (sous réserve de l’accord des rapporteurs) le 16 décembre 2020 devant le jury suivant :

– Pr. Valery BOTTON (INSA Lyon, Villeurbanne) : rapporteur

– C.R. Miha ZALOZNIK (Institut Jean Lamour, Nancy) : rapporteur

– D.R. Nathalie MANGELINCK-NOËL (Inst. Mat. Microélectonique Nanosciences de Provence, Marseille) : examinateur

– M.A. Gildas GUILLEMOT (MINES ParisTech-CEMEF, Sophia Antipolis) : examinateur

– Virginie JAQUET (SAFRAN Tech, Colombes) : invité

Résumé de thèse :

L’amélioration des performances des réacteurs pour les applications aéronautiques impose une augmentation de la température de fonctionnement des turbines à usage aéronautique. Ainsi, des superalliages baseni contenant du rhenium doivent être dorénavant utilisés pour la fabrication des aubes de turbines dont la microstructure est souhaitée monocristalline. Ces matériaux sont cependant plus sensibles à la formation d’hétérogénéité de composition chimique à l’échelle de la pièce et à la formation de grains de type freckles lors de l’étape de solidification. Les phénomènes multiphysiques qui engendrent ces deux défauts, peuvent dorénavant être investigués à l’aide de simulations numériques du procédé industriel.

Mots clés : aubes de turbine monocristallines, superalliage nickel, solidification dirigée, calcul multiphysique, macroségrégation, freckles, modèle de microségrégation, kd-tree

=> Animation avec une rotation de 90°

Solidification dirigée d’une géométrie avec changement de section pour un alliage Ni-Al-Re en utilisant le module MISE de la librairie PhysalurgY depuis la CIMLIB (avec couplage CAFE) – Visualisation de l’évolution temporelle de la composition en aluminium (La zone la plus transparente représente le liquide, les surfaces délimitent les iso-compositions en aluminium. Le domaine le plus opaque représente le solide et la zone pâteuse. Les zones ségrégées (canaux) sont présentées avec une opacité maximale). Les flèches représentent la vitesse du liquide. La solidification dirigée est obtenue en appliquant sur la face supérieure (chaude) et la face inférieure (froide) des conditions aux limites (température) imposant un gradient thermique (souhaité constant) durant le refroidissement.

> Temps de calcul : ~3 jours et 15 heures sur 10CPU (Cluster Intel) pour 543k élements et 104k noeuds et 15k pas de temps

Légende des simulations en haut de page :

Solidification dirigée d’une géométrie d’aube de turbine basse pression pour un alliage Ni-Al en utilisant la librairie CIMLIB (avec couplage CAFE) depuis une mise en données THERCAST

A Gauche : Visualisation de l’évolution temporelle de la température. Les surface rouge et bleu représentent respectivement l’isosurface de liquidus et de solidus, délimitant la zone pâteuse.
A Droite: Visualisation de l’évolution temporelle de la composition en aluminium (La zone la plus transparente représente le liquide, les surfaces délimitent les iso-compositions en aluminium. Le domaine le plus opaque représente le solide et la zone pâteuse. Les zones ségrégées (canaux) sont présentées avec une couleur rouge). Les flèches représentent la vitesse du liquide.
La solidification dirigée est obtenue en appliquant sur la face inférieure une condition aux limites assurant une extraction de la chaleur constante en tout temps.(200s de temps procédé/image)

> Temps de calcul : 36 jours sur 10CPU (Machine Virtuelle de calcul) pour 726k élements et 134k noeuds et 25k pas de temps