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Métallurgie des Poudres, Microstructures, Propriétés, Usinabilité (MP)2U

by Dominique Vrel, Guy Dirras, Zofia Trzaska - published on , updated on

L’objectif scientifique de cette Opération de Recherche porte sur la métallurgie physique et structurale. Elle s’intéresse tout particulièrement à l’Ingénierie de microstructures multi-échelles (ou architecturées) utilisant la métallurgie des poudres pour créer des microstructures harmoniques, à l’élaboration de nano-composites à matrice métalliques en étudiant les relations élaboration-microstructure-propriétés-usinabilité, et aux matériaux à haute entropie de mélange (HEA : High Entropy Alloys).

Les thématiques de cette opération de recherche concernent les problématiques suivantes :

Polycristaux à grains ultrafins, microstructures multi-structurées, nanocomposites à matrice métallique

Dans cet axe de recherche nous mettons en œuvre des procédés d’élaboration de métallurgie des poudres non conventionnels (Compaction Isostatique à Chaud, Frittage Assisté Thermiquement) ou de déformation plastique en régime dynamique (masse tombante) ou la combinaison des deux types de procédés, pour générer des microstructures innovantes, multi-échelles (Figure1a-b), sous forme massive, dans le but de limiter la « fragilité » inhérente des matériaux NC ou UFG. Comme faits marquants, nous avons d’une part, la maîtrise de l’ingénierie de microstructures harmoniques, obtenues par un contrôle des fractions volumiques respectives des entités en présence (matrice NC ou UFG pour la résistance mécanique et entités micrométriques pour la ductilité) et de leur distribution (Figs. 1a-b). D’autre part, la versatilité de la métallurgie des poudres nous a permis d’élaborer des nanocomposites à matrice métallique par transformation de phase au cours de la consolidation d’une nanopoudre d’aluminium. La Figure 1c (imagerie filtrée au MET) montre des inclusions nanométriques Al2O3 dans une matrice UFG (taille moyenne d’environ 120 nm) d’Al. Le matériau obtenu possède une résistance mécanique 7 fois supérieure à celle de l’aluminium conventionnel et une déformation en compression de l’ordre de 10%. Enfin la collaboration avec le LISMMA a également permis de mettre au point une méthodologie d’élaboration unique au niveau mondial : combinaison d’un procédé de métallurgie des poudres (approche bottom-up) et d’un procédé de (grande) déformation plastique en régime dynamique (approche top-down). Cette démarche permet surtout de travailler à partir de poudres micrométriques conventionnelles, évitant ainsi la manipulation de nanopoudres (forte réactivité, contamination etc.). Au niveau du laboratoire LSPM, cet axe de recherche bénéficie des compétences disponibles au sein de l’équipe HPHT (compaction isostatique à froid, et Extrusion Hydrostatique Différentielle), partenaire de l’ANR « MIMIC »

Figure.1 (a-b) : microstructures multi-structurées obtenues grâce à un contrôle parfaitement maîtrisé des fractions volumiques MC et UFG ; (c) : nano inclusions Al2O3 dans une matrice Al nanostructurée

Plasticité des polycristaux à grains ultrafins en chargement quasistatique et dynamique

Les préoccupations de cet axe de recherche concernent l’étude du comportement mécanique sur une large gamme de conditions de sollicitations (traction, compression, cisaillement) dans les régimes quasistatique et dynamique des matériaux élaborés ainsi que l’analyse des micro-mécanismes de déformation, d’endommagement et de rupture sous-jacents. Les matériaux 100% UFG possèdent une contrainte d’écoulement beaucoup plus élevée, au détriment de la déformation. La présence des entités micrométriques entraine un réel gain en terme d’écrouissage dans la mesure où ces entités concentrent l’essentiel de la déformation plastique comme le montre la concentration des parois à faibles désorientations (en rouge, Figure 2). Les incompatibilités de déformation avec la matrice UFG génèrent de l’endommagement à l’interface entre la matrice et les inclusions multicristallines.

Figure.2 analyse EBSD de l’évolution de la nature des joints de grains avant et après déformation en compression uniaxiale d’une structure bimodale de Ni (grains micrométriques dans une matrice UFG)

Modélisation micromécanique des polycristaux à grains ultrafins et des microstructures multi-structurées

Les travaux menés dans cet axe concernent la formulation incrémentale d’un modèle micromécanique intégrant les notions de taille des grains, de leur distribution statistique et des joints de grains avec leurs comportements spécifiques respectifs. Une formulation incrémentale d’un modèle auto cohérent, développée par Jiang et Weng, 2004, a été généralisée. La démarche théorique de référence repose sur le principe de deux sous problèmes résolus analytiquement séparément par (Christensen et Lo, 1979) et (Luo et Weng, 1987). La plasticité du grain est considérée ici comme la manifestation macroscopique de mécanismes microstructuraux à un niveau déjà intégré de description, par un certain nombre de variables scalaires représentant le glissement cumulé. Le joint de grains est supposé insensible à la pression hydrostatique, amorphe et bien représenté par le modèle élastoplastique de Ludwik. Les simulations numériques du modèle micromécanique tiennent compte des 2000 orientations mesurées et relatives à la texture initiale du matériau, les tailles de grains étant générées aléatoirement. Dans le cas des matériaux bimodaux, la réponse globale contrainte–déformation est reportée figure 3 et on note bien l’influence des tailles de grains et le fait que la contrainte d’écoulement à 0,2% de la déformation plastique dépend de la fraction volumique de grains fins (figure de droite). On constate une bonne concordance entre le modèle proposé et les résultats expérimentaux. L’intégration de l’endommagement dans cette modélisation constitue une voie naturelle pour laquelle un doctorant est déjà mobilisé et des résultats expérimentaux disponibles. Un autre aspect concerne la modélisation du comportement dynamique de ces matériaux, en relation avec les données expérimentales évoquées au point b) ci-dessus.

Figure.3 a) : courbes globales simulées contrainte – déformation, (b) : la limite d’élasticité en fonction de la fraction volumique de grains fins