Couplage thermomécanique et endommagement des matériaux (TMF)

Défi scientifique :

Cette opération de recherche est issue de la thématique Matériaux et couplages du précédent contrat quadriennal. Le thème général est toujours axé sur la réponse du matériau aux différentes exigences environnementales tant mécanique que thermique et de mieux appréhender les mécanismes conduisant à la ruine du matériau. L’étude des champs de température et des sources dissipatives en découlant restera un outil privilégié.
 

Doctorants :

Mohand OUARABI, Mengxiong ZHAO, Xiaoxue PU, Victor POSTEL

Mots clés :

matériau structurel, endommagement, fatigue à très grand nombre de cycles, couplage thermomécanique, propriétés thermiques, vieillissement thermique

Résultats marquants :

Projet Scientifique :

Trois objectifs principaux ont été identifiés :

Objectif 1 : « Mécanismes d’endommagement par fatigue » sur les matériaux métalliques et composites

Depuis la création du LEME, les recherches sur la fatigue des matériaux et des structures se sont intensifiées face aux besoins de tous les moyens de production (nucléaire, solaire, éolienne, thermique) et de transformation (moteur et turbine) de l’énergie économiquement viable. Le LEME est devenu leader de l’étude de la fatigue à très grand nombre de cycles (109 cycles) Nos objectifs sont :

A l’échelle macroscopique, prédire le stade d’initiation (depuis les premiers signes d’apparition des PSB, par exemple, et les premiers signes d’endommagement – apparition d’intrusion, extrusion) tant dans les alliages industriels que dans des métaux purs ou monophasés
Modéliser, y compris par des méthodes numériques, le couplage entre les premiers signes d’endommagement et la dissipation thermique intrinsèque dans le stade d’initiation et le stade de propagation. L’influence de la fréquence de sollicitation étant un paramètre déterminant.
Développer des moyens d’investigation numériques, mécaniques, physiques et thermiques, adéquats pour l’étude expérimentale ou théorique des très grandes durées de vie en fatigue, celles qui correspondent au critère de l’économie durable.
Enfin et dans le même esprit, des recherches sur le comportement, l’endommagement et le contrôle non destructif des matériaux composites ont vu le jour au LEME durant le précédent contrat et seront poursuivies.


Objectif 2 : développer nos compétences dans la modélisation thermique de la réponse du matériau à des sollicitations thermomécaniques

La thèse de S. Tavakoli (boursier CIFRE Renault) qui porte sur le procédé de fonderie sous pression, s’inscrit dans cet objectif qui comporte les étapes suivantes:

Modélisation du refroidissement du moule au cours de l’injection des pièces (logiciel Procast) en tenant compte du circuit de refroidissement localisé à l’intérieur du moule, et de la résistance thermique entre les différents composants (métal liquide/acier du moule, acier du mouile/air…)
Expérimentation sur un moule de série instrumenté de thermocouples aux endroits critiques, et mesure de la température par caméra thermique infrarouge lors de l’ouverture du moule entre 2 injections.
Comparaison calcul/expérience et validation des résistances thermiques prises dans la modélisation.
Caractérisation de l’évolution des caractéristiques du matériau du moule (propriétés thermiques et mécaniques) au cours de la vie du moule (vieillissement thermique).

Objectif 3 : Au cours du précédent contrat, la relation entre la microstructure et les propriétés thermiques a été abordée (changements de phases, suivi du vieillissement thermique d’aciers inoxydables austénitiques par ellipsomètrie). La modélisation mettant en jeu des couplages thermomécaniques nécessite la connaissance des propriétés thermiques (émissivité et conductivité) fiables en fonction de la microstructure du matériau. Nous avons donc investi dans un banc de mesure des propriétés thermiques de conduction. Des premiers résultats montrent une influence du carbone sur ces propriétés de conduction (conductivité du matériau diminue lorsque le pourcentage de carbone augmente). Nous souhaitons dans le prochain contrat développer cet axe.

Par ailleurs, suite au recrutement de J. Petit, nous souhaitons développer les méthodes d’interférométrie speckle et d’émission acoustique en appui complémentaire de l’étude des mécanismes d’endommagement des matériaux.

Difficultés :
Cette opération de recherche dont une partie du projet est à caractère expérimental, ne pourra se développer que par l’achat et la maintenance d’équipements lourds qui nous font actuellement défauts. Un plan pluriannuel d’investissement avec l’Université est à l’étude et devraient nous permettre l’achat d’un microscope électronique à balayage, d’une machine d’essais servohydraulique, et la rénovation d’équipements existants.

Collaborations Universitaires :

ENSAM, U-Paris 13, U-Montpellier 2, ONERA, Georgia Tech (USA), U-Washington (USA), U-Karstadt (Allemagne), U-Oxford (Grande Bretagne), NUAA (Nanjing, chine), Sichuan U (Chengdu, chine), NPU (X’ian, chine), Tshingua U (Beijing, Chine)

Partenaires Industriels :

Areva, PSA, Arcelor, Safran, Hansen, Sandvik, Infinia, Vicinay Cadenas, General Motors, Vallourec, Branson

Contact :

dwagner@parisnanterre.fr

Mis à jour le 15 décembre 2015