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Marc Legros, Romain Gauthier, Armin Rajabzadeh, Frédéric Mompiou et Nicolas Combe

CEMES-CNRS, Toulouse

La plupart des matériaux cristallins qui nous entourent (métaux, alliages, céramiques) sont polycristallins, constitués de « grains », séparés par des « joint de grains ». Ces frontières entre domaines d’orientation différentes déterminent certaines propriétés physiques et notamment leur comportement mécanique. On peut par exemple rendre malléable une céramique ou au contraire durcir un métal en réduisant la taille de ses cristallites à travers la fameuse loi de Hall-Petch [1,2], établie de façon phénoménologique pour les aciers il y a 70 ans. Physiquement, cette relation peut s’expliquer par l’effet d’obstacle que jouent les joints de grains sur les dislocations, qui sont les vecteurs principaux de la déformation plastique. Lorsque les grains deviennent nanométriques, le seuil de plasticité sature ou décroit, ce qui est généralement attribué à des processus plastiques portés par les joints de grains eux-mêmes, comme la rotation, le glissement intergranulaire et/ou le couplage migration/cisaillement. Des mécanismes surtout observés dans les métaux à petits grains, mais rarement quantifiés expérimentalement, hormis lors d’expériences sur bicristaux [3]. Le modèle de Cahn & Mishin (C&M) [4,5], qui a popularisé le couplage migration-cisaillement, prévoit que le facteur de couplage augmente avec la désorientation du joint. En d’autres termes, lorsqu’un joint migre, il produit d’autant plus de cisaillement que sa désorientation est forte. Les rares mesures faites sur polycristaux, expérimentalement plus complexes à réaliser, ne semble pas attester cette tendance. Et les nanocristaux métalliques ne sont pas connus pour leur déformabilité.

Pour en avoir le cœur net, nous avons, depuis une dizaine d’années étudié les mécanismes de déformation liés à la migration des joints de grain, à la fois en microscopie électronique en transmission (MET) in situ , à l’aide de simulations atomiques par dynamique moléculaire et plus récemment par microscopie à force atomique (AFM), le tout couplé avec des techniques de cartographie d’orientation cristalline. On peut ainsi suivre le mouvement de joints connus et même quantifier de façon statistique le cisaillement produit dans de l’aluminium à grains ultra fins. En l’absence de dislocation, ce couplage migration-cisaillement est le principal vecteur de la déformation plastique [6]. Ce couplage est par contre beaucoup plus faible que celui prédit par le modèle C&M, ce qui explique le faible rendement des mécanismes de plasticité par joint de grains, et donc la faible ductilité des nanocristaux métalliques.

[1]   EO Hall. The deformation and ageing of mild steel: III Discussion of results. Proceedings of the Physical Society Section B 1951;64:747–53.
[2]   NJ Petch. The cleavage strength of polycrystals: Journal of the Iron and Steel Institute, v. 174. 1953
[3]   T Gorkaya, DA Molodov, G Gottstein. Stress-driven migration of symmetrical 〈100〉 tilt grain boundaries in Al bicrystals. Acta Materialia 2009;57:5396–405.
[4]   JW Cahn, JE Taylor. A unified approach to motion of grain boundaries, relative tangential translation along grain boundaries, and grain rotation. Acta Materialia 2004;52:4887–98.
[5]   JW Cahn, Y Mishin, A Suzuki. Coupling grain boundary motion to shear deformation. Acta Materialia 2006;54:4953–75.
[6]   R Gautier, A Rajabzadeh, M Larranaga, N Combe, F Mompiou, M Legros. Shear-coupled migration of grain boundaries: the key missing link in the mechanical behavior of small-grained metals. Comptes Rendus Physique 2021;22:1–16.

Clément Ribart, Henry Proudhon

Centre des Matériaux, MINES Paristech, CNRS UMR 7633

La tomographie par contraste de diffraction reste la méthode de caractérisation de la cartographie des grains en 3D la plus rapide et permet d’approfondir la caractérisation d’emplacements de cristallographique spécifique. Couplée à des essais mécaniques in situ, que nous développons depuis quelques années au CDM, elle offre un moyen unique de sonder les mécanismes de déformation et de fracture des matériaux de structure. Des expériences corrélatives à plus haute résolution peuvent maintenant être réalisées pour obtenir une observation « zoomée » dans des grains sélectionnés. Nous passerons en revue plusieurs techniques qui peuvent être utilisées au synchrotron européen, comme la topo-tomographie à rayons X, la 3DXRD ou la microscopie à rayons X. Un exemple pour caractériser la localisation des déformations plastiques dans les métaux sera présenté. La méthode étant de plus en plus automatisée, elle permet des mesures quantitatives et statistiques dans la masse de la microstructure. Enfin, le couplage des expériences avec les calculs par éléments finis de la plasticité cristalline à l’échelle du grain sera discuté comme une clé pour découvrir les mécanismes de déformation de la microstructure.

Contact pour assister à la conférence : Mathieu.Fevre@onera.fr

Jeudi 31 Mars 2022 à 14h00

Salle Contensou, ONERA Châtillon

Frederico Orlacchio

LEM, UMR ONERA-CNRS – SIAM, ONERA

La Fabrication Additive suscite un grand intérêt à la fois dans les milieux académiques et industriels notamment en vue d’une réduction des déchets de matières premières et pour l’optimisation des composants fabriqués. Pendant le stage réalisé entre l’unité SIAM du DMAS/ONERA et le LEM (CNRS/ONERA), une attention particulière a été portée à l’impact de l’écrouissage thermique sur la précipitation des phases intermétalliques dans l’alliage d’aluminium Al-4Fe, fabriqué par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF pour Laser Powder Bed Fusion). Dans un premier temps, une étude expérimentale à différentes échelles a été réalisée afin de caractériser la microstructure du matériau Al-4Fe dans son état métallurgique après fabrication. Les échantillons étudiés sont issus de différentes conditions de fabrication. La microstructure de grains ainsi que la précipitation de phases riches en fer ont été étudiées par différentes techniques de microscopie (optique, MEB, TEM). Dans un deuxième temps, l’évolution de la dureté et les modifications de la microstructure suite à la mise en œuvre de différents traitements thermiques post-fabrication ont été caractérisées. Les petites désorientations à l’intérieur des grains ont été mesurées par EBSD afin d’obtenir des informations sur l’écrouissage du matériau lors de ces traitements. Enfin, les différentes contributions nécessaires au développement d’une modélisation de la dureté de ces alliages ont été discutées.

Mardi 28 septembre 2021 à 9h30

en visioconférence sur le lien suivant : https://rdv.onera.fr/seminaireLEM

Djahid Oucheriah

LEM, UMR ONERA-CNRS

A l’échelle nanométrique, les nanomatériaux possèdent des propriétés uniques qui diffèrent fortement de celles du matériau massif. Dans le cas des nanoparticules de type AgPt, nous avons cherché à étudier la transition solide-liquide de nanoparticules de différentes tailles et compositions. Dans ce but, nous avons effectué des simulations à l’échelle atomique à partir d’un potentiel semi-empirique intégré dans un code Monte Carlo pour relaxer les structures. En procédant ainsi, nous avons observé que la température de fusion diminue avec la taille des nanoparticules (systèmes purs et alliages). Par ailleurs, cette même température de fusion augmente avec la composition en Pt. Toutefois, notre analyse fine montre que la fusion de la nanoparticule passe systématiquement par une étape intermédiaire avec un coeur cristallin (pur Pt ou AgPt selon la composition) et une couche d’Ag liquide.

Jeudi 29 juillet 2021 à 11h00

en visioconférence sur le lien suivant : https://cnrs.zoom.us/j/98877547159

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

Dr. Antoine GUITTON^1,2

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

 

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.

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.

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 γ_m 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.

 

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.