Le département IMPACT

Le domaine de recherche

L’objectif scientifique du département IMPACT est une meilleure compréhension des liens procédés – microstructures – propriétés des matériaux.
Une part importante de la recherche qui y est menée s’effectue dans le domaine de l’allègement des structures et du stockage de l’hydrogène pour accompagner la transition énergétique.

De façon générale, il s’agit d’améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu lors de la genèse des textures et des microstructures au cours de la mise en forme (traitements thermomécaniques, physico-chimiques, hyper-déformation, fabrication additive) ou de la sollicitation (déformation, fatigue, fragilisation par hydrogène) des matériaux polycristallins multi-phasés. Il s’agit également d’étudier l’influence de ces microstructures sur le comportement (limite d’élasticité, écrouissage, ductilité, résistance à la fatigue) afin d’optimiser les propriétés mécaniques et physiques des matériaux.

Microscopie d’orientation

Interfaces

Composites

Microstructures

Anisotropie

Fatigue

Micromécanique

Plasticité cristalline

Hydrogène

les responsables

Thiebaud Richeton

Éric Fleury

Les membres

Professeur·es et directeur·rices de recherche

Maître·sses de conférences et chargé·es de recherche

Personnel technique

Doctorant·es

Post-doctorant·es et chercheur·es contractuel·les

Invité·es – autres personnels

Les axes de recherche

Genèse et propriétés des microstructures et textures – Développement de techniques innovantes

Animateur et animatrice de l’axe : Nabila Maloufi et Lionel Germain

Cet axe a pour objectif le développement de techniques innovantes de caractérisation des matériaux, Ces techniques sont appliquées entre-autres à la compréhension de la genèse des microstructures multi-phasées, souvent nanométriques avec des distributions spatiales de micro-constituants hétérogènes, afin de comprendre et d’optimiser leurs propriétés en relation avec leur procédé d’élaboration.

Parmi les innovations récentes, on peut citer :

EBSD à très haute résolution angulaire

Une nouvelle technique de corrélation d’images numériques est appliquée à l’EBSD pour cartographier les désorientations avec une haute résolution angulaire, ainsi que les densités de dislocation géométriquement nécessaires et les déformations élastiques. Cette nouvelle méthode est implémentée dans le logiciel ATEX.

hal.univ-lorraine.fr/hal-03006680

Exploitation des cartes EBSD par intelligence artificielle

Un modèle U-Net a été entraîné pour effectuer la segmentation de la bainite, de la ferrite et de la martensite sur des cartes EBSD. Le modèle surpasse les performances humaines : il peut différencier les trois phases avec une précision moyenne de 92%.

hal.univ-lorraine.fr/hal-03480629

TKD on-Axis

Une nouvelle configuration pour la diffraction de Kikuchi par transmission (TKD) dans le MEB a été récemment développée, avec un scintillateur perpendiculaire au faisceau d’électrons. Cette configuration, la TKD « on-axis « , rend les macles et les grains inférieurs à 10 nm bien visibles avec un taux d’indexation élevé, comme cela a été démontré avec un Ni nanocristallin électrodéposé.

hal.univ-lorraine.fr/hal-02392258v1

HR-SACP et Accurate ECCI

La mise au point d’un mode de précession du faisceau d’électrons, dans un microscope électronique à balayage Zeiss pour la réalisation de diagrammes de canalisation de résolution latérale submicronique « HR-SACP », a ouvert la voie à une caractérisation fine par Imagerie par Contraste de Canalisation des Électrons « A-ECCI » de défauts cristallins dans des matériaux massifs grâce à une procédure innovante. À titre d’exemple, pour la première fois une variété de sous-structures de déformation par fluage a ainsi été révélée dans une céramique UO2.

hal.univ-lorraine.fr/hal-01503460

Obtenir des quasi-monocristaux de cuivre par recristallisation entre des feuilles de graphène

Nos chercheurs ont montré qu’en frittant des feuilles de cuivre laminées entre des nanofeuillets de graphène, il est possible d’orienter la recristallisation du cuivre et de former un quasi monocristal d’orientation cube. L’expansion anisotrope du graphène impose des contraintes élastiques qui sont à l’origine de ce phénomène.

hal.univ-lorraine.fr/hal-03079707

Micro et nano-mécanique, auto-organisation, plasticité et interfaces (MAPLI)

Animateurs de l’axe : Vincent Taupin, Julien Guénolé et Antoine Guitton

Les chercheurs de l’axe MAPLI étudient l’influence de la nano-structure / micro-sctructure sur les propriétés physiques et mécanique des matériaux, par des méthodes expérimentales, théoriques et numériques novatrices. Plus spécifiquement, l’axe s’intéresse aux relations entre l’organisation collective des défauts de la microstructure en plasticité (dislocations, atomes de soluté), les longueurs internes caractéristiques associées, la présence d’interfaces cristallines (joints de grains, de phases ou de macle) et les propriétés physiques locales et macroscopiques des matériaux (alliages métalliques, céramiques, semi-conducteurs, intermétalliques). Les caractérisations réalisées ainsi que les théories et modèles élaborés concernent toutes les échelles de taille impliquées, depuis l’atome jusqu’à l’échelle macroscopique. L’axe s’appuie également de plus en plus fortement sur des méthodes d’optimisation et d’analyse issues du domaine de l’apprentissage machine (intelligence artificielle).

Étude des défauts linéaires dans les cristaux via la transformée de Fourier rapide

L’intérêt récent pour les méthodes spectrales utilisant la transformée de Fourier rapide (FFT) en mécanique incite à aborder les champs mécaniques locaux et les défauts interfaciaux. Nous proposons ici une nouvelle approche numérique pour traiter les discontinuités matérielles, tels que les distributions de dipôles de disclinations interagissant avec les inhomogénéités et les joints de grains.

hal.science/hal-02351498

Ajustement des propriétés mécaniques du titane : caractérisation avancée et analyse automatique des données

Une nouvelle méthode automatisée de détection des traces de glissement utilisant la transformée de Hough est introduite pour l’imagerie à contraste de canalisation des électrons (ECCI). Augmentée de données d’orientation, elle facilite l’indexation rapide des traces de glissement et des études statistiques fiables.

hal.science/hal-03119000

Couplage tomographie électronique et modélisation des dislocations

Des réseaux de dislocations d’un monocristal d’olivine caractérisés par tomographie 3D dans le microscope électronique à transmission sont utilisés comme entrée dans un modèle de mécanique des champs de dislocations. Les dislocations observées sont prises en compte au travers d’une densité de dislocations géométriquement nécessaires équivalente. Le modèle fournit en sortie les champs mécaniques et complète ainsi la caractérisation expérimentale.

hal.univ-lorraine.fr/hal-04276564

Complexité mésoscopique dans l’écoulement plastique d’un alliage à haute entropie

L’écoulement plastique des solides est défié par l’auto-organisation des défauts cristallins, surtout dans les Alliages à Haute Entropie (HEA). Cette étude explore la complexité mésoscopique de l’écoulement plastique d’un alliage Al0.3CoCrFeNi. Diverses méthodes révèlent des transitions entre des régimes dynamiques similaires à différents bruits, incluant le rare bruit bleu, et des comportements rougis.

hal.science/hal-03818085

Caractéristiques d’un joint de flexion dans la phase MAX Ti₃AlC₂

Les phases MAX, matériaux complexes, allient les propriétés des métaux et des céramiques grâce à leur structure en couches. La microscopie détaillée révèle une phase de torsion nano dans le Ti₃AlC₂. Le rôle des disclinations dans la représentation du champ de contrainte est exploré, avec des implications pour la conception des matériaux.

hal.science/hal-03207521

Développement et optimisation de procédés en lien avec les microstructures

Animateurs de l’axe : Laurent Weiss et Jérôme Serri

Cet axe est consacré à l’amélioration des propriétés des matériaux par la maîtrise des procédés de fabrication. Il s’appuie sur des techniques allant de l’élaboration de poudres (broyeurs et attriteurs) jusqu’aux méthodes spécifiques de consolidation (hyper-déformation, machine SLM).
Les études concernent également l’hyper-déformation des matériaux massifs et les traitements mécaniques de surface (SMAT) afin d’induire des modifications structurales en vue du renforcement des matériaux. L’axe met à profit les compétences développées par les chercheurs du laboratoire tant en caractérisation physico-chimiques fines (EBSD, analyses FIB 3D) que thermo-mécanique (analyse du tribo-contact, nano-indentation) pour l’analyse des volumes, des surfaces et sous-surfaces modifiées.

Modifications des propriétés de surface par traitement de surface mécanique

La surface des matériaux représente une zone particulière responsable de la tenue mécanique et de l’interaction avec l’atmosphère environnant. En modifiant ses propriétés par traitement de surface mécanique (grenaillage ultrasonique), il est possible d’améliorer la tenue à la fatigue des pièces de services, modifier la réactivité de surface ou encore la biocompatibilité des pièces traitées.

doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.08.009

Affinement des microstructures par déformation plastique sévère

Un des leviers pour l’amélioration de la résistance mécanique est de réduire la taille des grains. Pour se faire, il est possible de faire subir à des matériaux massifs ou à des primaires sous forme de poudre une déformation plastique sévère afin d’affiner considérablement la taille de grain jusqu’à l’échelle submicrométrique.

doi.org/10.1115/1.4062582

Optimisation des microstructures issues de fabrication additive

En fabrication additive, modifier le couple « paramètres de dépôt / matériaux » permet d’obtenir une vaste gamme de propriétés qui résultent d’une combinaison entre la structure macroscopique (lattice, bulk, etc.), les propriétés physico-chimiques intrinsèques des matériaux et la microstructure. La maîtrise scientifique de ces relations entraine des sauts technologiques au service de l’industrie.

doi.org/10.1016/j.addma.2019.02.007

Thermomécanique, endommagement et durabilité des matériaux, des composites et des structures

Animateurs de l’axe : Julien Capelle et Marwa Abida

Cet axe de recherche s’intéresse à la compréhension du comportement thermo-mécanique et des relations entre procédés, microstructures, propriétés et durabilité des matériaux et des structures. Les études entreprises s’attachent particulièrement à acquérir une meilleure connaissance du comportement thermo-mécanique de composants et de structures de grande dimension tout en essayant de tenir compte de l’évolution des caractéristiques microstructurales avec les sollicitations en vue de l’optimisation de leurs performances.
L’axe cherche également à étudier l’influence de la présence de défauts, d’hétérogénéités microstructurales, de contraintes résiduelles et / ou de l’endommagement sous sollicitation mécanique en atmosphère corrosive (hydrogène, ammoniac).

Reconstruction 3D à partir d’acquisitions tomographiques de fibres

Les fibres individuelles de lin présentent des déformations morphologiques, appelées kink-bands, qui sont considérées comme des zones de faiblesse. La corrélation entre l’apparition de bandes de déformation, la méthode d’extraction des fibres et les propriétés mécaniques des fibres a été étudiée. Une étude statistique multi-échelle approfondie a été menée sur 96 fibres élémentaires extraites de quatre lots différents traités dans des conditions d’extraction des fibres de la plante (teillage et peignage) différentes.

doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.117722

Simulation numérique thermomécanique reproduisant le cycle de brasage d’un ensemble onde-plaque-barre par EF

Al3003 est un alliage d’aluminium d’usage général très répandu. Les assemblages impliquant ces alliages sont souvent soumis à des sollicitations thermomécaniques à des vitesses de déformation variables. La simulation par éléments finis (EF) de la performance de ces assemblages nécessite l’obtention du comportement des matériaux à l’aide d’un modèle constitutif approprié. Ici, un modèle élasto-viscoplastique a été proposé.

hal.science/hal-04479168

Formulation et caractérisation expérimentale de composites à base de polypropylène et de déchets de caoutchouc de pneus (WTR)

Des essais de traction in-situ en tomographie à rayons X ont permis le suivi de l’endommagement du composite de polypropylène chargé de déchets de caoutchouc de pneus. Les résultats ont été corrélés à des essais de traction sur machine conventionnelle et modélisés par les méthodes FEM.

journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0892705712461515

Probabilistic Design Factors for Pipes Used for Hydrogen Transport

La méthode utilisée implique une équation de risque définie comme le produit de la probabilité de fuite après défaillance, de la probabilité d’avoir un débit de gaz supérieur à une valeur prescrite, de la probabilité d’inflammation, de la probabilité d’effets létaux supérieurs à une valeur seuil et de la probabilité de présence d’une personne corrigée par un facteur d’environnement et un coefficient de réduction du risque. Les résultats obtenus sont moins conservateurs que les valeurs déterministes fournies par le code ASME.

hal.science/hal-02972801/document