Soutenance de thèse d’Hanadi Ettroudi

1 juillet 2021

Hanadi Ettroudi soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 1er juillet 2021

Modélisation numérique multi-échelle des structures de solidification, de la macroségrégation et de la Transition Colonnaire-Equiaxe

Hanadi Ettroudi a réalisé sa thèse dans l'équipe 2MS sous la supervision de Charles-André Gandin et Gildas Guillemot, côté CEMEF et Hervé Combeau, MINES Nancy dans le cadre du projet national FUI Soft-Defis. Hanadi soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 1er Juillet 2021 devant le jury suivant (sous réserve de l'avis des rapporteurs) :

– Denis NAJJAR, Professeur des Universités, Centrale Lille, Rapporteur

– Kader ZAIDAT, Maître de conférences, Institut Polytechnique de Grenoble – PHELMA, Rapporteur

– Lounès TADRIST, Directeur de recherche CNRS, Aix-Marseille Université – Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels, Examinateur

– Marie BEDEL, Maître de conférences, Arts et métiers Paris-Tech, Examinateur

– Miha ZALOŽNIK, Chargé de recherche CNRS, Université de Lorraine-Institut Jean Lamour, Examinateur

– Marvin GENNESSON, Ingénieur R&D, Centre de recherche CREAS, Invité

Résumé :

Intégré au projet national FUI SOFT-DEFIS, une activité de recherche a été réalisée visant à contribuer au développement d'un outil numérique prédisant la formation des structures de solidification équiaxe et colonnaire, ainsi que la zone de transition et les ségrégations chimiques associées dans la coulée des gros lingots en acier. Jusqu'à présent, les modèles utilisent généralement la méthode des volumes finis. Un premier modèle basé sur la méthode des éléments finis a été proposé mais limité à la solidification équiaxe. Ce dernier est étendu, dans ce projet de recherche, pour modéliser à la fois les structures colonnaires et équiaxes. Une méthode Level Set est appliquée afin de suivre la croissance du front colonnaire. Sa vitesse est calculée à l'aide d'un modèle de cinétique de croissance développé pour les microstructures dendritiques. Les grains équiaxes se développent dans le liquide en surfusion devant le front colonnaire et peuvent être transportés. Deux sources des grains équiaxes sont modélisés : la germination hétérogène ainsi que la fragmentation. Le modèle considère la morphologie dendritique pour les deux microstructures. Un critère de blocage solutal est utilisé pour prédire la position de la transition colonnaire-équiaxe. Les équations de conservation sont résolues en utilisant une méthode de splitting séparant les deux étapes de transport et croissance. Des simulations 2D et 3D ont permis de tester les différentes briques du modèle pour des petits lingots. Le modèle est appliqué, enfin, à l'échelle des lingots industriels pour prédire l'évolution des structures développées et des zones ségrégées, en comparaison avec les analyses expérimentales des partenaires du projet.

Distribution des champs au cours d’une simulation 3D d’un lingot d’acier lors de sa solidification. L’iso-ligne blanche représente la position du front colonnaire.

Mots-clés : Solidification, Modélisation, Transition colonnaire-équiaxe, Éléments finis, Macroségrégation, Multi-échelle, Fragmentation, Lingots

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 Robin Vallée

30 mars 2021

Robin Vallée soutient sa thèse en Physique le 30 mars 2021

Suspensions de particules inertielles dans des écoulements turbulents.

Robin Vallée a réalisé sa thèse dans l'équipe CFL sous la direction de Jérémie Bec et Elie Hachem dans le cadre d'une bourse CNRS.

Résumé :

Cette thèse porte sur la dynamique de particules inertielles suspendues dans des écoulements de fluide turbulents régis par les équations de Navier-Stokes incompressibles. La compréhension du transport de ces particules est importante dans un grand nombre d'applications, comme la croissance de planétésimaux par accrétion, l'évolution du plancton dans les océans, la croissance de cristaux de glace dans les nuages ou encore la sédimentation d'impuretés dans les conduites. Malgré la présence de ces particules dans de nombreux processus industriels ou naturels, leur dynamique reste un sujet mal compris. Le but de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension de certains aspects impliquant le transport de particules inertielles dans des écoulements turbulents en utilisant notamment les résultats de simulations numériques directes. Elle est divisée en quatre chapitres. Le premier est consacré à une introduction des motivations, des méthodes numériques utilisées ainsi qu'à une revue des résultats déjà connus sur ce sujet. Le deuxième chapitre porte sur la généralisation du phénomène de turbophorèse au cas d'écoulements homogènes et isotropes, et vient donc compléter une approche essentiellement utilisée pour les écoulements inhomogènes. Il est notamment montré que malgré leur moyenne uniforme, les fluctuations turbulentes locales mènent à des inhomogénéités dans la distribution des particules aux échelles inertielles. Ensuite, le troisième chapitre se consacre à l'accrétion de particules inertielles par une sphère dans un écoulement moyen.

Dans un premier temps, il est montré que des rebonds inélastiques de particules ponctuelles sur la surface de la sphère ne sont pas suffisants pour observer un effondrement inélastique si elles ne sont soumises qu'à une force de traînée visqueuse. Dans un second temps l'étude de petites particules soumises à une force de gravité montre des efficacités d'accrétion non triviales avec notamment des collisions observées à l'arrière du collecteur. Enfin, le dernier chapitre s'intéresse à des particules de taille finie suspendues dans un écoulement turbulent en canal plan, soumises à leur force de traînée visqueuse et à une force de lubrification proche des parois. Une étude statistique de la distribution de particules et de leurs collisions avec les parois permet alors d'améliorer la compréhension des mécanismes de déposition.

Densité de particules inertielles dans un écoulement autour d'une sphère qui tombe, pour différentes valeurs de leur inertie. Elles sont soumises à une traînée visqueuse ainsi qu'à leur gravité et peuvent rebondir sur la surface de la sphère.

Mots-clés : Turbulence, particules inertielles, accrétion, interactions avec des parois, turbophorèse

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 d’Emilie Forestier

29 mars 2021

Emilie Forestier soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 29 mars 2021

“Etude de la microstructure induite du PEF, un polymère biosourcé, lors d’étirages uniaxiaux et biaxiaux au-dessus de la transition α”

Emilie Forestier a réalisé sa thèse au sein de l’équipe MPI, sous la direction de Noëlle Billon en collaboration avec Nicolas Sbirrazzuoli, Professeur de l’Université Côte d’Azur, Institut de Chimie. Sa thèse a été financée par l’Adème.

Son jury est composé des personnalités suivantes :

– Pr.U. Valérie GAUCHER (Univ. Lile-Unité Mat. et Transformations, Cité Scientifique, Villeneuve d’Ascq) : rapporteur

– Pr.U. Isabelle ROYAUD (Univ. de Lorraine-Inst. Jean Lamour, Nancy) : rapporteur

– D.R. Sylvain CAILLOL (Ecole Nat. Sup. de chimie de Montpellier-Inst. Charles Gerhardt, Montpellier) : examinateur

– Pr.U. Allison SAITER (Univ. de Rouen Groupe Physique des mat.-EIRCAP,St Etienne du Rouvray) : examinateur

– I.R. Christelle COMBEAUD (MINES ParisTech-CEMEF, Sophia Antipolis) : examinateur

– M.C. Nathanaël GUIGO (Univ. Côte d’Azur- Inst. de Chimie de Nice, Nice) : examinateur

– Pr.U. Nicolas SBIRRAZZUOLI (Univ. Côte d’Azur- Inst. de Chimie de Nice, Nice) : examinateur

– I.R. Roy VISSER (Avantium Zekeringstraat, Amsterdam, Pays-Bas) : invité

– Ing. Mikaël DERRIEN (Sidel, Octeville-sur-Mer) : invité

Résumé :

Ce travail a pour but de fournir une meilleure compréhension du comportement mécanique ainsi que du développement microstructural d’un polymère biosourcé, le PEF. En effet, ce polymère est de plus en plus évoqué pour remplacer un des matériaux les plus utilisés dans l’emballage alimentaire, le PET. Le PEF peut être considéré comme l’analogue biosourcé du PET. La différence entre ces deux matériaux est la présence d’un cycle furanique (composé d’un atome d’oxygène possédant deux doublets non liants) dans le PEF à la place du cycle benzénique. Par rapport au PET, cette spécificité du PEF est responsable d’une température de transition vitreuse ainsi que d’un module élastique plus élevés, d’une vitesse de cristallisation plus lente, d’un cristal moins stable et d’une fusion à plus basse température.

A partir de l’étude de l’étirage du PET amorphe, et de son développement microstructural, l’étirage uniaxial du PEF amorphe a été étudié. En considérant les différences architecturales des chaines, il apparaît que le PEF et le PET ne peuvent pas être étirés dans les mêmes conditions (vitesse de déformation et température). Pour réaliser des tests mécaniques (étirage uniaxial et biaxial) qui correspondent au PEF, il est nécessaire de définir au préalable la gamme de formage ainsi que des conditions d’étirage adaptées. Dans ce but, un protocole d’étirage spécifique, basé sur la construction et l’utilisation d’une courbe maîtresse à la température de référence propre à chaque matériau, a été défini et appliqué au PEF et au PET. Cette courbe permet de connaitre l’état physique initial du matériau en relation avec les couples vitesse de déformation/température. Le contrôle de l’étirage, ainsi que l’utilisation de paramètres d’étirage qui tiennent compte de l’état physique initial du matériau, conduisent à la formation d’un cristal qui va augmenter la stabilité thermique ainsi que la rigidité du matériau. Le comportement mécanique du PEF révèle qu’avec des conditions d’étirage correctes, il se comporte comme le PET. Dans les premières étapes de l’étirage, les deux matériaux présentent une réponse mécanique très similaire. Une différence majeure concernant le moment d’apparition du cristal existe entre le PEF et le PET. En effet, la phase cristalline du PEF doit d’abord se former avant qu’il puisse durcir sous étirage. Jusqu’à la fin de l’étirage, le cristal n’évolue quasiment plus. Au contraire, le PET forme dans un premier temps une mésophase. L’existence du cristal dépend de la déformation finale imposée et des conditions de refroidissement.

La microstructure induite sous étirage a été largement étudiée et comparée à celle présente dans un échantillon cristallisé statiquement. Une grande similitude est notée entre ces deux modes de cristallisation, spécialement au niveau de la définition du cristal. Il apparaît que la microstructure induite sous étirage est plus contrainte que celle obtenue après une cristallisation statique. Ce travail a également mis en évidence que la microstructure formée lors de l’étirage du PEF est relativement similaire et ce, quelles que soient les conditions d’étirage. Pour le PET, le développement microstructural semble être bien plus tributaire des couples vitesse/température utilisés.

Etirage uniaxial du PEF (matériau biosourcé) et du PET. Influence de l’étirage sur la partie aliphatique de la chaine.

Mots-clés : Cristallisation sous étirage, étirage uniaxial et biaxial, polymère biosourcé, analyse microstructurale, PEF, comportement thermomécanique.