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François Ducastelle nous a quittés

C’est avec une très grande tristesse que nous avons appris le décès brutal de notre collègue François Ducastelle, survenu vendredi 2 juillet 2021.

François est entré en 1965 comme stagiaire à l’ONERA où il a été embauché comme ingénieur en 1968. Il y a préparé ses deux thèses et mené toute sa carrière de chercheur. De 1981 à 1997, il a été chef de la Division de Physique des Solides au sein de la Direction des Matériaux (OM), puis a été directeur adjoint du LEM jusqu’à son éméritat en 2008.

Physicien hors pair, François a profondément marqué les nombreux champs disciplinaires qu’il a abordés : la structure électronique des métaux et de leurs alliages, la physique statistique de l’ordre-désordre et des transitions de phase, les modes de croissance et les propriétés spectroscopiques des matériaux de basse dimension. 

De par l’ampleur de ses travaux, son implication dans la direction du LEM et son enthousiasme pour la recherche, François a fortement contribué à façonner le laboratoire d’aujourd’hui et à son rayonnement.     

Tous ceux qui ont côtoyé François, des doctorants qu’il a formés aux très nombreux collègues qu’il a guidés et qui venaient chercher auprès de lui conseils et éclairages, témoignent de l’étendue de ses connaissances, de la profondeur de son analyse, de la puissance et de l’élégance de son raisonnement, de ses talents de pédagogue et de sa bienveillance.

Toujours actif et impliqué dans de nombreux projets, François a su maintenir une dynamique collective de recherche et de nombreuses interactions avec la communauté scientifique internationale.  Il interagissait également au quotidien avec de jeunes chercheurs en toute humilité et avec beaucoup d’humanité.

Un grand physicien s’en est allé. Son souvenir et son enseignement demeurent.

Sa disparation laisse beaucoup de tristesse et un grand vide au laboratoire.

Nos pensées vont à sa famille et à ses proches à qui nous présentons nos sincères condoléances.

Mathieu Fèvre (Mathieu.Fevre@onera.fr) est le point de contact pour les informations concernant les obsèques et les témoignages de soutien à sa famille.

Des témoignages et des souvenirs de notre collègue François peuvent être déposés au lien suivant : https://hommage.uneroseblanche.fr/odoklp

Etudes ab initio de la diffusion d’atomes légers dans γ-TiAl et investigation expérimentale sur l’oxydation de phases MAX

Dr.  Enrica Epifano

CIRIMAT, UMR 5085, toulouse France

 

Dans cet exposé, E. Epifano présentera les résultats de ses recherches postdoctorales menées à l’ONERA. La présentation comprendra deux parties. Dans la première partie, la solubilité et la diffusion des atomes légers (B, C, N, O) dans la phase intermétallique γ-TiAl sont étudiées par des calculs ab initio. L’accommodation des atomes légers dans les différentes positions interstitielles est étudiée par la théorie de la fonctionelle de la densité. Les barrières d’énergie pour leur diffusion entre les différents sites interstitiels sont calculées en utilisant la méthode Nudged Elastic Band (NEB) et les taux de saut atomique sont obtenus à partir de la théorie de l’état de transition. Les coefficients de diffusion sont obtenus à partir de la solution de l’équation de transport dans la limite du temps infini, en utilisant la méthode analytique de diffusion multi-états.

Dans la deuxième partie, des études expérimentales de la résistance à l’oxydation des phases MAX sont présentées. Les phases MAX constituent une nouvelle classe de matériaux qui présentent une combinaison extraordinaire de caractéristiques à la fois métalliques et céramiques. Certains des MAX sont alumina-formeurs et présentent donc une excellente résistance à l’oxydation. Les résultats présentés ici concernent une étude sur la phase quaternaire (Tix,Ga1-x)3AlC2, réalisée en collaboration avec l’Université Drexel de Philadelphie.

Vendredi 25 Juin 2021 à 14h00

en visioconférénce au lien suivant: https://rdv.onera.fr/seminaireLEM

Viviane Laut-Cothias nous a quittés

Viviane Laut-Cothias, notre assistante de direction, était une personne qui donnait le meilleur d’elle-même, avec le souci constant de se rendre utile auprès de tous. Elle était très attentionnée envers les autres et rayonnait d’une grande gentillesse. Son départ laisse un grand vide et beaucoup de tristesse.

Apport de l’imagerie par contraste de canalisation des électrons dans la plasticité des polycristaux

Dr. Antoine GUITTON1,2

1Université de Lorraine – CNRS – Arts et Métiers – LEM3, Metz, France
2LabEx Damas – Université de Lorraine, Metz, France
antoine.guitton@univ-lorraine.fr
 www.antoine-guitton.fr

 

Potentiel de l’A-ECCI pour les comparaisons multi- échelles entre les expériences et les simulations.

Bien que la mécanique des matériaux soit âgée de plus d’un siècle, elle reste encore confrontée à de nombreux défis conceptuels. Il faut, en effet, relier deux échelles extrêmes : l’échelle de l’échantillon (c.-à-d. macroscopique) et l’échelle des mécanismes fondamentaux (c.-à-d. microscopique). De plus, les statistiques d’observations sont généralement extrêmement faibles, si bien que d’une part l’incertitude est élevée et d’autre part la représentativité des mécanismes est très discutable.

La Microscopie Électronique en Transmission (MET) est l’une des techniques les plus connues pour observer et caractériser les dislocations dans des lames minces transparentes aux électrons (épaisseur de ≈100 nm avec un champ de vision utile de quelques μm) (1–4). Des études détaillées des dislocations à l’échelle microscopique apportent, en effet, des informations précieuses pour l’extrapolation de la réponse mécanique macroscopique des matériaux et peuvent alimenter des modèles numériques avancés de plasticité cristalline (4). Cependant, des questions fondamentales sur la représentativité des phénomènes observés doivent être soulevées, lors de l’extrapolation des discussions à un échantillon de taille millimétrique.

Dans ce cadre, nous avons combiné avec succès des essais mécaniques (nanoindentation et de traction in-situ) d’échantillons massifs avec une technique de caractérisation à l’échelle des dislocations : l’imagerie par contraste de canalisation des électrons (Accurate Electron Channeling Contrast Imaging : A-ECCI) (5). L’A-ECCI est une procédure non destructive offrant la possibilité de fournir, à l’intérieur d’un Microscope Électronique à Balayage (MEB), une imagerie par contraste de diffraction de type MET des défauts de sous-surface (jusqu’à une profondeur d’environ 100 nm) sur un échantillon massif centimétrique avec des résolutions encore inégalées (6).

Tout d’abord, la physique du contraste des défauts et les procédures expérimentales seront présentées (5; 7; 8). Deuxièmement, la pleine potentialité de l’A-ECCI pour suivre l’évolution des microstructures de déformation sera détaillée (9–11). Enfin, des comparaisons statistiques entre les modèles de plasticité cristalline et les expériences seront mises en évidence dans le cadre d’une première étape vers l’ingénierie des fonctionnalités (12–14).

Jeudi 27 Mai 2021 à 14h00

en visioconférénce au lien suivant: https://rdv.onera.fr/seminaireLEM

Références

[1] G.P. Bei, A. Guitton, A. Joulain, V. Brunet, S. Dubois, L. Thilly, and C. Tromas. Pressure-enforced plasticity in MAX phases : from single grain to polycrystal investigation. Philosophical Magazine, 93(15) :1784–1801, may 2013, doi : 10.1080/14786435.2012.755272, hal-hal-01501851.

[2] A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, and C. Tromas. Dislocation analysis of Ti2AlN deformed at room temperature under confining pressure. Philosophical Magazine, 92(36) :4536–4546, dec 2012, doi : 10.1080/14786435.2012.715250, hal-03041046.

[3] A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, and C. Tromas. Evidence of dislocation cross-slip in MAX phase deformed at high temperature. Scientific Reports, 4(1) :6358, may 2015, doi : https ://doi.org/10.1038/srep06358, hal-01503720.

[4]  K. Gouriet, P. Carrez, P. Cordier, A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, and C. Tromas. Dislocation modelling in Ti2AlN MAX phase based on the Peierls–Nabarro model. Philosophical Magazine, 95(23) :2539–2552, aug 2015, doi : 10.1080/14786435.2015.1066938, hal-01515323.

[5]  H. Kriaa, A. Guitton, and N. Maloufi. Fundamental and experimental aspects of diffraction for characterizing dislocations by electron channeling contrast imaging in scanning electron microscope. Scientific Reports, 7(1) :9742, aug 2017, hal-02392256.

[6]  J. Guyon, H. Mansour, N. Gey, M.A. Crimp, S. Chalal, and N. Maloufi. Sub-micron resolution selected area electron channeling patterns. Ultramicroscopy, 149 :34–44, feb 2015, doi : 10.1016/j.ultramic.2014.11.004, hal-01514962.

[7]  H. Kriaa, A. Guitton, and N. Maloufi. Modeling dislocation contrasts obtained by Accurate-Electron Channeling Contrast Imaging for characterizing deformation mechanisms in bulk materials. Materials, 12(10) :1587, may 2019, doi : 10.3390/ma12101587, hal-02392249.

[8]  H. Kriaa, A. Guitton, and N. Maloufi. Modelling Electron Channeling Contrast intensity of stacking fault and twin boundary using crystal thickness effect. Materials, 14(7) :1696, mar 2021, doi : 10.3390/ma14071696, hal-03118996.

[9]  A. Guitton, H. Kriaa, E. Bouzy, J. Guyon, and N. Maloufi. A dislocation-scale characterization of the evolution of deformation microstructures around nanoindentation imprints in a TiAl alloy. Materials, 11(2) :305, feb 2018, doi : 10.3390/ma11020305, hal- 02392252.

[10]  M. Ben Haj Slama, N. Maloufi, J. Guyon, S. Bahi, L. Weiss, and A. Guitton. In situ macroscopic tensile testing in SEM and Electron Channeling Contrast Imaging : pencil glide evidenced in a bulk β-Ti21S polycrystal. Materials, 12(15) :2479, aug 2019, doi : 10.3390/ma12152479, hal-02392248.

[11]  F. Habiyaremye, A. Guitton, F. Schäfer, F. Scholz, M. Schneider, J. Frenzel, G. Laplanche, and N. Maloufi. Plasticity induced by nanoindentation in CrCoNi medium-entropy alloy studied by accurate electron channeling contrast imaging revealing dislocation-low angle grain boundary interactions. Accepted in Materials Science and Engineering : A, 2021, hal-03118990.

[12]  M. Ben Haj Slama, V. Taupin, N. Maloufi, K. Venkatraman, A.D. Rollett, R.A. Lebensohn, S. Berbenni, B. Beausir, and A. Guitton. Electron channeling contrast imaging characterization and crystal plasticity modelling of dislocation activity in Ti21S BCC material. Materialia, page 100996, mar, doi : 10.1016/j.mtla.2020.100996, hal-03094460.

[13]  K. Venkatraman, M. Ben Haj Slama, V. Taupin, N. Maloufi, and A. Guitton. Tuning critical resolved shear stress ratios for BCC- Titanium Ti21S via an automated data analysis approach. 2021, hal-03119000.

[14]  F. Habiyaremye, A. Guitton, X. Lei, T. Richeton, S. Berbenni, G. Laplanche, and N. Maloufi. Influence of the local dislocation density and configuration on the first pop-in load during instrumented nanoindentation. 2021.

Caractérisation des bandes de cisaillement et de la plasticité dans des verres modèles à l’échelle atomique

Produits pour la première fois dans les années soixante, les verres métalliques sont des matériaux prometteurs notamment grâce à leur grande limite d’élasticité. Cependant, ils sont aussi fragile du fait de la formation de bandes de cisaillement dans lesquelles la plasticité se concentre dans les premiers stades de la déformation.

Dans le cadre de cette thèse, nous réalisons des simulations atomistiques à l’aide d’un modèle binaire de verre de type Lennard-Jones. Pour relier la plasticité et la structure du matériau, nous utilisons un nouvel indicateur structurel local : la limite d’élasticité locale.

Nous montrons que ces seuils plastiques locaux augmentent avec le niveau de relaxation des verres. De plus, nous établissons l’existence d’une unique distribution post-instabilité de seuils locaux, indépendante de l’état initial du matériau.

Nous montrons ensuite que l’effet Bauschinger, une asymétrie du comportement mécanique induite par la plasticité est provoqué dans les verres par l’inversion de l’anisotropie de la distribution des seuils les plus faibles durant la décharge.

En étudiant des systèmes de différentes tailles et à différents niveaux de relaxation nous constatons que la persistance de la plasticité, et donc la formation de bandes de cisaillement, dépend principalement de l’état de relaxation initial du système.

Enfin, en considérant des verres stables, nous montrons l’existence d’une corrélation entre la position des bandes de cisaillement et les régions initialement plus molles. En continuant à déformer ces systèmes, nous mettons en évidence que les bandes de cisaillement s’élargissent en suivant un comportement diffusif.

Modélisation de nanoalliages à base de platine : Co-Pt, système emblématique de l’ordre, et Pt-Ag, système hybride entre ordre et démixtion

En raison de la forte corrélation entre ordre chimique et propriétés physiques, les nanoalliages à tendance à l’ordre sont particulièrement intéressants dans le domaine de la catalyse, du magnétisme, ou bien de l’optique. En réduisant la taille du système, c’est-à-dire, passant d’un alliage massif à un nanoalliage, de nombreuses questions émergent : l’ordre chimique est-il conservé? Quelle est la morphologie des nanoparticules? Quels sont la composition et l’ordre chimique en surface ? Quelle est l’évolution des propriétés avec la taille ? Cette présentation est consacrée à l’étude de deux systèmes, à la fois proches et différents par leur comportement : Co-Pt, système emblématique de l’ordre chimique, et Pt-Ag, système hybride présentant à la fois un ordre chimique et une tendance à la démixtion, ainsi qu’une forte tendance à la ségréga- tion. Afin de répondre à ces diverses questions, nous adoptons une approche semi-empirique à travers un potentiel à N-corps, permettant les relaxations atomiques, dans l’approximation du second moment de la densité d’états (SMA), couplé à des simulations Monte Carlo dans diffé- rents ensembles. Le potentiel SMA est ajusté, de manière à reproduire les propriétés volumiques et surfaciques, sur des calculs dérivants de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ou bien sur des données expérimentales. Dans un premier temps, le diagramme de phase en volume des deux systèmes est déterminé par le modèle et comparé à l’expérience. Puis les surfaces de bas indices (111), (100) et (110) sont étudiées afin de vérifier l’inversion de ségrégation observée pour le système Co-Pt, où le Pt ségrège faiblement sur les surfaces denses (111) et (100) mais où nous observons un plan pur de Co sur la surface (110). Au contraire, le système Pt-Ag présente une forte ségrégation d’Ag sur les surfaces (111) et (100). Dans un second temps, des agrégats de morphologie octaèdre tronqué de différentes tailles (allant de 1000 à 10000 atomes) seront analysés en terme de composition chimique sur les différents sites inéquivalents (sommet, arête, facettes (100) et (111) et cœur) puis comparés aux systèmes de référence (surfaces, volume) sur toute la gamme de concentration. Pour le système Co-Pt, nous observons des structures ordonnées similaires à celles du volume pour le cœur et similaires à celles des surfaces pour les facettes. L’impact de la phase bidimensionnelle (√3 × √3)R30◦ propre à la surface, est d’autant plus important sur l’ordre chimique au cœur que la nanoparticule est de petite taille. Pour le système Pt-Ag, nous observons une importante ségrégation de l’Ag en surface, ainsi qu’un en- richissement de Pt en sous-surface, et la stabilisation de la phase ordonnée L11 au cœur. Cette structure peut apparaître en un seul variant ou bien en adoptant tous les variants possibles, conduisant ainsi à une structure en pelures d’oignon.

Confinés dans des nanotubes diélectriques, les colorants organiques gardent leur éclat

Des chercheurs et des chercheuses du LEM, du  LP2N, de Polytechnique Montréal et de l’Université de Montréal (Canada) sont parvenus à insérer des colorants organiques dans des nanotubes de nitrure de bore. Cette encapsulation protège efficacement les colorants organiques de l’environnement extérieur, aligne les molécules dans un état propice à l’émission de lumière et augmente leur photostabilité d’un minimum de quatre ordres de grandeur comparé aux mêmes colorants laissés libres.

Plus de détails sur le site de l’Institut de Physique (INP) du CNRS.  

Diffusion accélérée par l’irradiation et la déformation plastique: analyse microstructurale et élémentaire

L’exploitation prolongée des centrales nucléaires françaises implique la compréhension des mécanismes de vieillissement sous irradiation des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP). Le séminaire abordera, en ce sens, deux éléments d’étude.

Le premier volet de la présentation s’applique aux cuves des REP qui subissent une fragilisation importante sous irradiation neutronique. Cette fragilisation est due à la formation et l’agglomération de défauts ponctuels (lacunes et interstitiels), constituant un obstacle au mouvement des dislocations. La contribution des amas de soluté au durcissement est également non négligeable [1,2]. Cette étude vise à identifier l’effet du Ni et du Mn sur la formation et l’évolution des défauts microstructuraux, en mettant en évidence les mécanismes de ségrégation de ces solutés sur les amas/puits de défauts ponctuels pouvant conduire à la précipitation de phases secondaires. Pour ce faire, deux alliages modèles sous-saturés Fe-3%at.Ni et Fe-3%at.Mn ont été caractérisés après irradiation aux ions et aux électrons, en couplant la Microscopie Electronique en Transmission (MET, conventionnelle et haute résolution) et la Sonde Atomique Tomographique (SAT). Les résultats obtenus (Fig. 1.a-c) montrent que l’irradiation à 400°C induit, dans le Fe3at.%Ni, la formation d’une phase γm non prédite par le diagramme de phases d’équilibre (Fig. 1.d). Ainsi, un modèle faisant le lien entre la chimie des phases, les déformations propres de la phase (eigenstrain) et la concentration d’excès des défauts ponctuels a été développé pour calculer les diagrammes de phases sous irradiation (Fig. 1.e).

Figure 1 : (a) Image MET-HR d’un précipité γ formé sous irradiation dans la matrice α-Fe3at.%Ni ; (b) cliché de diffraction associé ; (c) agrandissement des encarts bleu et rouge indiqués dans les variants 1 et 2 respectivement du précipité présenté en (a) ; (d) et (e) sont les diagrammes de phases d’équilibre et sous irradiation (calculés) respectivement.

 

Le second volet de ce séminaire porte sur le mécanisme de propagation de fissures de corrosion sous contrainte (CSC) dans les composants du circuit primaire des REP (alliages base Ni). A la température de fonctionnement (350°C), l’amplitude de la zone déchromée découlant de l’oxydation sélective de l’élément Cr aux joints de grains n’est pas expliquée [3]. En effet, le coefficient de diffusion du Cr dans ces alliages, extrapolé à partir des hautes températures, est trop faible [4]. Cette étude se propose ainsi d’évaluer l’hypothèse d’un effet accélérateur de la plasticité sur la diffusion. Pour cela, des expériences de diffusion sont réalisées à basses températures (jusqu’à 500°C) dans le Ni pur à l’état non déformé et déformé. Les coefficients de diffusion du Cr en volume et aux joints de grains sont déterminés à l’aide de deux techniques : la Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires (SIMS) et la technique des radiotraceurs (Université de Münster, Allemagne).

[1] M.K. Miller, M.G. Burke, An atom probe field ion microscopy study of neutron irradiated pressure vessel steels, J. Nucl. Mater. 195 (1992) 68-82.

[2] M. Lambrecht et al., On the correlation between irradiation induced microstructural features and the hardening of reactor pressure vessel steels, J. Nucl. Mater. 406 (2010) 84-89.

[3] M. Sennour et al., Advanced TEM characterization of stress corrosion cracking of Alloy 600 in pressurized water reactor primary water environment, J. Nucl. Mater. 393 (2009) 254.

[4] D. D Pruthi et al., Diffusion of Chromium in Inconel-600, J. Nucl. Mater. 64 (1977) 206-210.

Conférencière : Dr. Lisa Belkacemi-Rebrab  (Centre des Matériaux, MINES ParisTech) 

Date et Lieu : Vendredi 16 Octobre à 14h00 Salle de conférence du LEM (E2.01.20), Châtillon.

 

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