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Étude de l’effet de la taille des grains dans les polycristaux CFC : une nouvelle modélisation basée sur la densité de dislocations polarisées surfaciques

Une modélisation multi-échelle impliquant des simulations de dynamique des dislocations discrètes (DDD) et un code de plasticité cristalline (CPFEM) est utilisée pour étudier l’origine physique de l’effet de la taille des grains dans les polycristaux CFC. Ce modèle en densité de dislocation s’inscrit dans le cadre de l’approche stockage-restauration de Kock-Mecking, élargi à l’échelle des systèmes de glissement. Des simulations de DDD sont utilisées pour identifier une loi constitutive incorporant les principaux mécanismes élémentaires des dislocations contrôlant l’écrouissage plastique des polycristaux CFC en condition monotone. Nous avons calculé les paramètres clés contrôlant l’accumulation de la densité de la forêt dans les grains et la densité de dislocation polarisée aux joints de grains pendant la déformation plastique. Ce modèle est ensuite intégré dans un code CPFEM à l’échelle de l’agrégat polycristallin pour calculer les contraintes internes à courte et longue distances à l’intérieur des grains. On montre que ces simulations reproduisent quantitativement les courbes de déformation des polycristaux CFC en fonction de la taille des grains. La capacité prédictive de ce nouveau modèle à reproduire l’effet de Hall-Petch suggère que celui-ci à un fort potentiel pour d’autres applications.

Conférencière: Dr. Maoyuan Jiang

Date et Lieu: Lundi 9 Février 2020, Salle de conférence du LEM (E2.01.20), Châtillon.

Imagerie de l’orientation cristalline au début de la déformation plastique

La tomographie par contraste de diffraction des rayons X (anglais: Diffraction Contrast Tomography, DCT) est une technique pour l’imagerie des matériaux ductiles, avec une résolution de quelque micromètre. Traditionnellement, la DCT est utilisé pour l’étude des matériaux ré-cristallisés, contenants grains de quelque dizaine de microns. Les acquisitions de la DCT sont faites en utilisant des faisceaux monochromatiques bidimensionnels, pour pouvoir illuminer rapidement des régions assez larges des échantillons.
Récemment, un nouveau algorithme six-dimensionnel (6D-DCT) a été développé pour reconstruire matériaux avec une déformation plastique faible (dans l’ordre de quelque dégrée).
La topo-tomographie (TT) est aussi une technique pour l’imagerie des grain avec le contraste de diffraction X, mais qui permet de se focaliser sur un grain seulement, et d’obtenir des images à plus haute résolution que la DCT (sous-micron).
Pendant ce séminaire on présentera les arguments suivants: l’acquisition et la reconstruction des données DCT et TT, les extensions des algorithmes de reconstructions à 6D et 5D pour la reconstruction de l’orientation au niveau de sous-grain, et les applications futures comme la combinaison de la DCT et de la TT pour investiguer la formation des « slip bands » au début de la déformation.

 

Conférencier: Dr. Nicola Viganò

Date et Lieu: Vendredi 21 Février à 14h00, Salle de conférence du LEM (E2.01.20), Châtillon.

Etude des mécanismes de déformation en fluage à 1050°C/120MPa des superalliages à bases nickel : Cas du MC2 et MCNG

Afin d’accroître le rendement des turbomachines on augmente la température des gaz à l’entrée de la turbine (TET). Cela rend les conditions de fonctionnement des turboréacteurs de plus en plus sévères et nécessite le développement de nouveaux alliages aussi réfractaires que possible (T> 1000°C). Dans ce domaine les superalliages base nickel n’ont pas de concurrents sérieux. Leur développement s’est effectué depuis plusieurs décennies dans un contexte industriel. Ces alliages biphasés composés d’une phase γ’ dispersée dans une matrice désordonnée proposent aux métallurgistes une mine de questionnements fondamentaux :

Leur résistance mécanique élevée est-elle liée à la chimie de ces alliages? à la structure ordonnée de la phase γ’ ? au désaccord paramétrique entre les deux phases ou aux réseaux de dislocations aux interfaces?

Cette étude comparative entre le comportement en fluage à 1050°C, de deux superalliages monocristallins pour aubes de turbine, le MC2 alliage de 1ère génération (sans rhénium) et le MCNG alliage de 3ème génération (avec rhénium), constitue une tentative à hiérarchiser ces différents facteurs de durcissement.

L’approche à diverses échelles (macro, méso, micro) montre en quoi la création et l’évolution des radeaux diffèrent dans ces deux alliages. L’addition d’éléments lourds (Rhénium) peut modifier les caractéristiques intrinsèques de chacune des phases (paramètre de maille, énergie de défaut d’empilement, énergie de paroi d’antiphase, état d’ordre…) ou leur morphologie (structure standard ou en radeaux).

L’analyse détaillée des mécanismes de formation et d’évolution des réseaux qui gainent les radeaux  γ ’ à haute température (Figure 1a), fait apparaître le rôle essentiel des interfaces γ-γ’ perpendiculaires à l’axe de traction. Dans ces deux alliages elles ne sont pas planaires mais sont ondulées autour du plan (001) (Figure 1b). Cette ondulation moins symétrique dans MCNG aboutit à la formation de réseaux de dislocations lâches et mal organisés qui se déstabilisent de façon précoce conduisant à destruction prématurée des radeaux. Par contre dans MC2, l’ondulation est symétrique et les réseaux de dislocations sont denses, réguliers et stables conduisant à un stade secondaire plus long.

 

a
b

Figure 1 : Superalliage à base Nickel : (a) Structure standard  (b) La structure en  radeaux 

Conférencier: Dr. Moustafa Benyoucef

Date et Lieu: Mardi 10 Décembre à 10h30 Salle de conférence du LEM (E2.01.20), Châtillon.

Couplage de l’imagerie par diffraction cohérente de Bragg (BCDI) et de la dynamique moléculaire pour étudier les nanostructures

Fig. 1 (top) Experimental reconstruction of the u111 displacement field on a 250 nm Pt NP (bottom)  u111 displacement field obtained by energy minimization of a simulated Pt NP (right) εxx, εyy and  εzz components of the strain tensor derived from the simulation

Les propriétés physiques à petite échelle de longueur diffèrent fortement de celles du matériau massif, typiquement en deçà du micromètre. Par exemple, la résistance mécanique augmente quand la taille diminue et de fortes contraintes résiduelles liés aux procédés d’élaboration sont présentes au sein de nanostructures. Il existe ainsi un besoin d’une meilleure compréhension de la relation entre la microstructure et les propriétés des matériaux aux échelles nanométriques. Du fait de sa bonne résolution spatiale et de son excellent sensibilité aux déplacements atomiques et à la déformation locale [1,2], l’imagerie par diffraction cohérente en géométrie de Bragg (BCDI) s’est imposée au cours des deux dernières décénnies comme un outil très puissant pour mesurer le champ de déplacement local dans des objets nanométriques [3]. Combinée à une sollicitation mécanique in situ, la BCDI est particulièrement adaptée à l’étude de la germination de défauts dans des nanoparticules isolées [4] ou encore à la détermination des mécanismes de déformations intragranulaires dans des films minces polycristallins [5].

De nos jours, la quasi convergence des échelles de longeur mesurables expérimentalement par diffraction cohérente et simulables par dynamique moléculaire, le couplage entre les deux méthodes est particulièrement pertinent, et permet une étude complète et détaillée des mécanismes de déformation à l’échelle atomique. Cette approche couplée a été utilisée pour étudier la relaxation de surface de nanoparticules métalliques (Au, Pt). Un excellent accord est obtenue entre la composante du champ de déplacement mesurée expérimentalement et calculée par minimisation d’énergie (statique moléculaire) (Fig. 1.) Grâce à cette approche, la mesure expérimentale de seulement une seule réflection de Bragg est requise pour pouvoir dériver le champ de déplacement 3D et les six composantes indépendentes du tenseur de déformation [6]. Les deux techniques peuvent également être combinées pour identifier des structures de défauts germées pendant une sollicitation mécanique in situ [4,5] ou encore pour interpréter l’évolution du champ de déformation d’une nanoparticule catalytique pendant une réaction sous gas [7,8]

[1] Watari, M. et al. Nature Materials 10, 862–866 (2011).

[2] Labat, S. et al. ACS Nano 9, 9210–9216 (2015).

[3] Robinson, I. & Harder, R. Nat Mater 8, 291–298 (2009).

[4] Dupraz, M. et al. Nano Lett. 17(11) (2017).

[5] Cherukara, M. et al. Nat. Comm. 9 (2018).

[6] Dupraz et al.  to be submitted (2019)

[7] Kim, D. et al. Nat. Comm. 9, 3422 (2018).

[8] Dupraz, M. et al. in preparation

Conférencier: Dr. Maxime Dupraz

Date et Lieu: Lundi 25 Novembre à 14h00 Salle de conférence du LEM (E2.01.20), Châtillon.

Modélisation du comportement mécanique des matériaux polycristallins

Comprendre les processus de déformation qui conduisent à la rupture des matériaux structurels polycristallins est l’un des principaux défis de la science des matériaux. Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des dernières décennies, grâce aux développements de nouvelles techniques de caractérisation expérimentales et à des méthodes de simulation numerique avancés.

Cependant, la localisation de la plasticité dans des bandes de glissement et la propagation de la plasticité à travers un agrégat polycristallin ne sont pas entièrement comprises.

L’une des difficultés de la modélisation du comportement mécanique des matériaux polycristallins est qu’il s’agit intrinsèquement d’un phénomène multi-échelle. Des mécanismes de déformation inélastiques se produisent à l’échelle des dislocations (le défaut cristallin vecteur de la déformation plastique) qui donnent lieu à la formation de microstructures intra-granulaires qui, à leur tour, interagissent avec les joints des grains. Ce projet de stage vise à étudier les premiers stades de déformation plastique dans un matériaux (Cu, Ni) polycristallin à l’aide de la dynamique de dislocations (DD).  En particulier le code de DD microMegas sera utilisé couplé avec un solveur élastique, pour reproduire des conditions aux limites favorisant l’émergence d’une localisation de la déformation plastique et ainsi modéliser l’interaction entre une bande de glissement et les joints de grain. Ce mécanisme sera étudié d’abord dans des agrégat polycristallin modèle. Si possible ces calculs pourront être étendu à un jumeau numérique d’un polycristal réel.   

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique du solide, Science des matèriaux. Bonne connaissance de la physique de la matière condensée  ainsi qu’une propension pour les simulations numériques (utilisation de codes, programmation pour le post-traitement des données).

Contacts: Benoit Devincre

Elaboration et caractérisation de nanoparticules métalliques ; analyse des effets de synthèse dans la catalyse de croissance de nanotubes de carbone par CVD

Le sujet de stage proposé s’inscrit dans une volonté de développer de nouveaux catalyseurs (nanoparticules métalliques ou bimétalliques) pour la croissance de nanotubes de carbone, ces nouveaux catalyseurs permettant le contrôle des propriétés électroniques des nanotubes de carbone dès l’étape de synthèse.

Les nanoparticules servant de catalyseurs seront synthétisées, en collaboration avec l’ICMMO (Vincent Huc) en combinant chimie de surface et chimie de coordination. Nous nous proposons de comparer un même jeu de nanoparticules métalliques ou bimétalliques élaboré suivant des voies de synthèses très différentes puis nous comparerons l’action catalytique de ces nanoparticules dans la croissance des nanotubes :

–          Une première partie du travail expérimental sera de synthétiser les nanoparticules par voie colloïdale (optimisation de la synthèse en réduisant d’abord le Ru3+ en Ru2+ puis en l’alliant au Ni) et par Analogues de Bleu de Prusse à l’Institut de Chimie Moléculaire et Matériaux d’Orsay (ICMMO). Ces dernières seront calcinées sous argon afin d’obtenir des espèces carburées. Nous en ferons l’étude structurale (distribution en taille, composition, structure cristalline) au LEM. Nous utiliserons pour cette dernière une panoplie puissante de techniques d’investigation (microscopie électronique en transmission en Haute Résolution, diffraction, spectroscopies de perte d’énergie et d’analyse X) présentes au laboratoire (LEM).

–          Une deuxième partie du travail expérimental sera de faire croître des nanotubes de carbone par CVD en utilisant les nanoparticules élaborées comme catalyseur (par voie colloïdale, par voie « Bleu de Prusse » et Bleu de Prusse « carbures »). Il conviendra alors de caractériser ces nanotubes (chiralité, longueur, type d’accroche à la nanoparticule) par TEM (imagerie et diffraction) et spectroscopie Raman. Ces trois jeux de catalyseurs devront être comparés pour observer l’influence de la voie de synthèse et l’influence de la phase carburée dans la croissance de nanotubes de carbone.

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Bonne formation en chimie de la matière condensée avec un volet important en nanoscience et des cours sur l’élaboration et la caractérisation. Goût affirmé pour l’expérimentation et pour la technique.

Contacts:  Armelle Girard, Annick.Loiseau

Chimie et morphologie de nanoalliages pour la catalyse de croissance de nanotubes de carbone par CVD

Le sujet de stage proposé s’inscrit dans une volonté de développer et de comprendre la synthèse de nouveaux catalyseurs (nanoparticules métalliques ou bimétalliques) pour la croissance de nanotubes de carbone, ces nouveaux catalyseurs permettant le contrôle des propriétés électroniques des nanotubes de carbone dès l’étape de synthèse de ces derniers.

Depuis quelques temps, un certain nombre de catalyseurs bimétalliques à base de métaux de transition ont été synthétisés produisant, en règle générale, des nanoparticules de type cœur/coquille ou de type janus. Néanmoins, nos études précédentes ont montré qu’il était possible de synthétiser des particules bimétalliques sous forme de solution solide en combinant chimie de surface et chimie de coordination dans des conditions de température particulières. Les alliages ont la possibilité de se former à l’échelle nanométrique quand on arrive à mettre en place un processus de réduction rapide pour « piéger » les atomes des deux métaux dans un alliage en évitant ainsi une nucléation séparée.

Cependant, étudier le comportement thermodynamique de ces catalyseurs bimétalliques demande souvent la mise en œuvre de techniques expérimentales compliquées qui gagnent souvent à être couplées avec des approches théoriques, même si ces dernières sont encore loin de pouvoir atteindre un tel niveau de complexité tout en restant prédictives. En collaboration avec le groupe de simulations numériques à l’ICMMO (Jérôme Creuze et Fabienne Berthier), nous entamons donc une étude théorique afin de mieux caractériser le comportement de ces nanoparticules, à l’équilibre et sous ultra-vide tout d’abord. En effet, il est nécessaire de connaître la thermodynamique des nanoalliages en tant que systèmes isolés avant d’étudier l’influence de perturbations extérieures. Nous étudierons également les cinétiques de retour à l’équilibre afin de déterminer la stabilité et la durée de vie de configurations métastables qui auront été identifiées lors de la première étape de l’étude.

Le stage permettra ainsi d’identifier et de quantifier les grandeurs thermodynamiques clés impliquées dans la répartition des constituants au sein des nanoparticules bimétalliques et de comprendre comment les variables d’état influent sur la configuration d’équilibre à partir de ces grandeurs. Le candidat pourra confronter ses résultats avec les expériences lorsque ce sera possible.

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Formation en physico-chimie de la matière condensée ayant comporté un volet en nanosciences. Un goût affirmé pour le calcul numérique et la thermodynamique. Une appétence pour l’expérimentation et pour la technique

Contacts:  Armelle Girard, Annick.Loiseau

Développement d’un code de Monte Carlo dynamique pour les calculs de diffusion atomique

Les processus de diffusion dans les solides sont prépondérants pour la cinétique de nombreux changements microstructuraux se produisant pendant la préparation, le traitement et le traitement thermique des matériaux. Des exemples typiques sont la nucléation de nouvelles phases, les transformations de phase par diffusion, la précipitation d’une seconde phase, la recristallisation, le fluage à haute température et l’oxydation à haute température. Pour atteindre une compréhension profonde de la diffusion dans les solides, il est nécessaire d’avoir des informations sur la position des atomes et sur leur déplacement. Les mécanismes atomiques de diffusion dans les solides cristallins sont étroitement liés aux défauts. Les défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels sont les défauts les plus simples et facilitent souvent la diffusion dans les cristaux. Les méthodes ab initio telles que la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) peuvent fournir des informations fondamentales, telles que les positions stables des atomes dans un réseau cristallin et leurs vitesses de saut entre deux sites voisins. Cependant, il n’est pas anodin d’obtenir des coefficients de diffusion à partir de ces propriétés fondamentales car, dans les cristaux solides complexes, il existe généralement divers défauts ponctuels (lacunes et positions interstitielles) et, par conséquent, plusieurs chemins de diffusion sont possibles pour l’atome diffusant. Les solutions analytiques des problèmes de diffusion multi-états sont généralement complexes. Une bonne alternative est de recourir à la méthode Monte Carlo cinétique (KMC: Kinetic Mote-Carlo), une méthode de Monte Carlo particulière utilisée pour les processus avec des vitesses connues telles que la migration des atomes. Il consiste à cartographier N événements possibles pouvant se produire à partir d’un état donné. Chaque événement est défini par la fréquence de saut, le déplacement et la fonction cumulative de la fréquence de saut: toutes ces paramètres nécessaire à la simulation KMC peuvent être obtenues à partir des calculs DFT.

L’objectif principal de ce projet est de développer un code de Monte Carlo cinétique pour étudier la diffusion des atomes dans les cristaux. Le code recevra en tant que données d’entrée les résultats des calculs DFT, qui seront effectués avec le code VASP. Les premières applications porteront sur la diffusion d’atomes interstitiels (B, O, N, C) dans des alliages Ti-Al. Le code sera validé par comparaison avec la solution analytique des réseaux cristallins les plus simples (comme le composé TiAl tétragonal), puis appliqué à l’étude de la diffusion dans des géométries plus complexes (comme le composé Ti3Al hexagonal).

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique de la matière condensée, crystallographie, development de code

Contacts: Gilles Hug

Propriétés électroniques de couches fines nanostructurées

Le contrôle à l’échelle nanométrique de la composition et de la morphologie des matériaux a permis l’émergence de nouvelles propriétés structurales, électroniques et chimiques, qui sont à la base de nombreux progrès technologiques récents. Parmi les nanostructures, les matériaux 2D forment une classe constituée par des matériaux cristallisant en couches d’épaisseur atomique. Depuis l’envol du graphène dans les années 2000, la famille des matériaux 2D s’est enrichie de nouveaux éléments comme le nitrure de bore hexagonal (hBN) ou le phosphore noir (BP).

En vertu de leur infime épaisseur, les matériaux 2D présentent souvent des propriétés électroniques très différentes de celles de leur homologues massifs. En outre, celles-ci sont fortement influencées par l’interaction avec l’environnement proche, par exemple, par des modifications du support du matériau 2D ou de son épaisseur. Les hétérostructures de van der Waals se basent sur ce principe. Elles sont formées en empilant des couches de différents matériaux 2D, permettant ainsi de combiner plusieurs propriétés dans un même système, et de les moduler de façon contrôlée afin d’atteindre des objectifs technologiques ou de recherche fondamentale.

Dans ce contexte, la famille d’hétérostructures considérée comportera l’empilement de feuilles de hBN et/ou de BP. Pour étudier d’un point de vue théorique ces systèmes, nous allons élaborer une approche mixte, qui combine des développements analytiques et numériques de type liaisons fortes à des simulations ab-initio. Ces dernières seront faites sur des systèmes simples de référence, afin d’établir une base quantitative pour la paramétrisation des modèles liaisons fortes. Ainsi, l’étude de grands systèmes tels que des hétérostructures réalistes deviendra possible. Plus précisément, il s’agira d’étudier l’effet de l’environnement (substrat, empilement…) sur les propriétés électroniques et optiques d’hétérostructures de van der Waals à base de hBN et BP.

Une autre originalité de ce travail consistera à coupler l’étude théorique à différentes techniques expérimentales, grâce notamment à un riche réseau de collaborations.

 

Georges Saada nous a quittés

 

Georges Saada est né le 10 août 1932 à Sfax en Tunisie. Il quitte la Tunisie à dix-sept ans, après ses études secondaires et l’obtention du baccalauréat. A Paris, il prépare les grandes écoles aux lycées Louis-le-Grand et Buffon. Il intègre l’École polytechnique en 1952 et prépare ensuite une thèse en physique des métaux. Docteur d’Etat, il est aussi diplômé de l’École Nationale Supérieure des Télécommunications.

Après le service militaire, sa carrière se déroule d’abord dans l’armée qu’il quitte en 1960, ses goûts le portant davantage vers la recherche. Après cinq années passées à l’Institut de Recherche de la Sidérurgie, au poste d’ingénieur de recherche, il choisit de s’orienter vers l’enseignement universitaire. D’abord maître de conférences à l’Université de Lille, il participe en 1969 à la création de l’Université de Paris XIII Villetaneuse où il devient professeur en 1971. Il y dirige de 1973 à 1981 le Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux.

En 1981, il est chargé de mission, pour l’Enseignement supérieur, auprès du Ministre de l’Education Nationale, Alain Savary.

Il réintègre ensuite l’Université Paris XIII et rejoint en 1990 le Laboratoire d’Etude des Microstructures, unité mixte ONERA-CNRS.

Georges Saada a joué un rôle de pionnier dans le domaine de la plasticité des matériaux. Ses travaux ont eu un impact majeur dans le développement de cette discipline, avec des contributions séminales sur la compréhension des mécanismes physiques à l’origine de la déformation des alliages métalliques. Ses travaux ont été salués par l’attribution de la Grande Médaille de la Société Française de Métallurgie et de Matériaux en 2008.