Equipe Physique, Mécanique et Plasticité

Relations microstructures / propriétés physiques des matériaux (Animateurs : Isabelle Royaud, Marc Ponçot)

Les développements scientifiques de l’équipe sont axés sur la compréhension de l’impact des processus de vieillissement à long terme sur le comportement mécanique.

Cette approche passe par le suivi de l’évolution de la microstructure sous sollicitation mécanique, sachant que le vieillissement (physique ou chimique) peut être dû à :

• une dégradation avec oxydation,
• une coupure et/ou réticulation de macromolécules,
• une dégradation thermique du matériau aux grandes vitesses de sollicitation,
• une évolution structurale (cristallinité, orientation, vieillissement physique dans la phase amorphe, endommagement volumique),
• l’endommagement interfacial dans les composites, des phénomènes de dégradation spécifiques à des environnements agressifs (par exemple, biomatériaux innovants pour un pancréas bioartificiel résistant au vieillissement in vivo).

L’objectif global est de prédire le comportement mécanique à long terme, en s’appuyant sur une connaissance de la plasticité et de l’endommagement de différents types de matériaux. Cette démarche doit aboutir à la prédiction de la durée de vie à long terme, en particulier dans un contexte de développement de matériaux durables et éco-compatibles.

Projets :

• FUI MECABARP
• Contrat Institut de Soudure
• Contrat Renault

Thèses :

• Arkema/CEA/INES, Stéphane Ogier (2014-2017)
• FUI Mecabarp, Martin Donnay (2014- 2017),Solenne Collomb (2017-2020)

Article :

In situ study of the deformation micro-mechanisms of semicrystalline polyethylene terephthalate films using synchrotron radiation X-ray scattering, Polymer, 117, 268-281, 2017, Martin Donnay ; Marc Ponçot ; Jean-Philippe Tinne s; Thomas Schenk ; Olivier Ferry ; Isabelle Royaud.

Suivi et identification des mécanismes élémentaires de la déformation et de l’endommagement des matériaux (Animateurs : Thomas Schenk, Isabelle Royaud, Marc Ponçot)

L’activité scientifique de l’équipe est fondée sur la compréhension et la modélisation du comportement mécanique des matériaux innovants à partir des micro-mécanismes élémentaires de la déformation :

• déplacement de dislocations et défauts ponctuels dans le cas des matériaux métalliques
• mobilité moléculaire de macromolécules,
• endommagement volumique ou de composites (au niveau des fibres, de la matrice ou de l’interface fibres/matrices).

Les matériaux étudiés sont très variés : matériaux métalliques, polymères, biomatériaux et composites (allant jusqu’au matériau vivant).

Projets :

• LabEx DAMAS
• MIB
• Contrat CNES

Thèses :

• MESR, Khaoula Ben Hafsia, 2013-2016
• LabEx DAMAS, Komlavi Senyo Eloh 2020

Article :

Study of the Poly (Ethylene Terephthalate) crystallization by coupling Raman Spectroscopy and Differential Scanning Calorimetry, Journal of Polymer Research, 23 (5), 1-14.
K. Ben Hafsia, M. Ponçot, P. Bourson, D. Chapron, I. Royaud.

Mécanique de l’endommagement des composites (Animateur : Zoubir Ayadi)

L’objectif scientifique global est d’évaluer l’effet de l’endommagement des composites sur les propriétés élastiques de la structure. Une bonne avancée a été réalisée jusqu’ici dans le cas des chargements statiques. Les travaux portent principalement sur la compréhension de l’endommagement en fatigue. Les deux thématiques principales sont :

• Microfissures et délaminations des composites stratifiés soumis à des chargements quasi-statiques et cycliques.
• Etude de l'effet de la microstructure sur l’amorçage et la propagation de décollement à l’interface fibre-matrice par des modèles de Volume Elémentaire Représentatif (VER) pour des composites unidirectionnels et des stratifiés croisés.

Cet objectif est développé dans le cadre d’un fort partenariat avec l’Université Technique de Lulea en Suède.
Trois approches sont utilisées : Théorique (modèle global-Local), Expérimentale (méthode plein champ) et numérique (éléments finis). Elles se déclinent en deux sous-thématiques :

• Initiation de Micro Damage et croissance dans les stratifiés sous chargement de traction quasi-statique et en fatigue
• Endommagement en fatigue des composites minces pour des applications aéronautiques.
   

Thèses :

• Hiba Ben Khala (2016-2019)
• Luca Di Stasio (2016-2019)

Article :

Energy release rate of the fiber/matrix interface crack in UD composites under transverse loading: effect of the fiber volume fraction and of the distance to the free surface and to non-adjacent debonds, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 103, 102251 (2019). Luca Di Stasio, Janis Varna, Zoubir Ayadi.

Corrélation comportement microscopique/ macroscopique avec prise en compte de l’hétérogénéité des matériaux. Etude du Volume Elémentaire Représentatif (Animateurs : Thomas Schenk, Marc Ponçot, Isabelle Royaud)

L’équipe s’appuie sur ses compétences en physique de la matière (des défauts cristallins à l’architecture macromoléculaire), pour développer des caractérisations mécaniques couplées originales (diffraction, spectrométrie, etc.) avec la modélisation du comportement mécanique.

Elle s’appuie sur les moyens expérimentaux du laboratoire, de l’échelle atomique (MET, MEB) à l’échelle moléculaire (spectrométrie Raman) et sur la diffraction in situ en temps réel sur grands instruments à l’échelle mésoscopique.

Pour atteindre ses objectifs, l’équipe poursuit le développement de dispositifs expérimentaux originaux, tels que :

• sa machine d’essais mécaniques haute température in situ sous rayonnement synchrotron, qui permet d’accéder au domaine 1300°C-1600°C pour étudier de nouveaux matériaux à très hautes températures, sous des modes de sollicitation plus complexes,
• ses mesures plein champ,
• son pilotage vidéométrique des essais mécaniques,
• son essai de gonflement HT de membranes minces métalliques ou polymères
• les couplages multi-techniques : WAXS, SAXS, DSC, spectrométrie Raman, analyse diélectrique, essai de traction, tomographie X avec rayonnement synchrotron.

Projets :

Arcelor Mittal, Nippon Steel

Thèses :

• MESR, Adrien Létoffé, 2016-2020
• MESR, Roxane Tréhorel (2018)
• LabEx DAMAS, Komlavi Senyo Eloh (2020)

Article :

Resilience improvement of an isotactic polypropylene-g-maleic anhydride by crosslinking using polyether triamine agents, Polymer, 179, 121655, 2019, Adrien Létoffé, Sandrine Hoppe, Richard Lainé, Nadia Canilho, Andreea Pasc, Didier Rouxel, Rafael J. Jiménez Riobóo, Sébastien Hupont, Isabelle Royaud, Marc Ponçot.

Expérimentation in situ haute température en rayonnement synchrotron. Nouvelles techniques de mesures à haut débit et modélisation.

Exemples :

• Etudes du fluage de matériaux métalliques en diffraction X de rayonnement synchrotron et four haute température in situ
   
• Études in-situ et in-operando de la microstructure et du comportement mécanique sous charge des métaux et des alliages
   
• Étude des mécanismes élémentaires de déformations in situ au synchrotron lors du fluage des alliages haute résistance/haute température
   
• Modélisation des pics de diffraction avec la méthode de transformation rapide de Fourier (FFT) : Comparer les résultats des simulations mécaniques théoriques et des données expérimentales de diffraction des rayons X

Couplage in situ spectroscopie Raman / vidéotraction^TM au service de l’étude de la déformation de polymères

Exemples :

• Étude et compréhension des propriétés mécaniques macroscopiques des matériaux polymères (Videotraction^TM et stéréocorrélation 3D)
   
• Suivi in situ de la déformation des polymères par spectroscopie Raman (évolution du facteur d’orientation, du taux de cristallinité et de l’endommagement volumique)
   
• Expérimentation in situ dans l’étude des polymères en combinant DRX en rayonnement synchrotron, essai de traction vidéométrique (VidéoTraction^TM) et spectroscopie Raman.

Détermination du lien entre les défauts et les propriétés mécaniques des composites (trois approches : expérimentale, numérique et théorique)

Exemple : Étude de l’endommagement de matériaux multicouches de type composite

Caractérisation des propriétés physiques des matériaux métalliques, polymères, composites et biomatériaux.

• Plasticité, endommagement, vieillissement / durabilité des matériaux
   
• Caractérisation multi-échelles (mécaniques et structurales) des matériaux innovants pour différents domaines (énergie, transport, santé, environnement)

Exemples :

• Étude des propriétés mécaniques de multimatériaux (métaux, polymères et composites) au travers de l’étude des mécanismes de déformation
   
• Détermination d’un critère limite de plasticité pour les membranes de polymères : essai mécanique en gonflement (bulge test)
   
• Etude in situ de la microstructure des polymères par diffraction des rayons X en rayonnement synchrotron
   
• Etude des propriétés mécaniques de polymères par des essais de traction vidéométrique (VidéoTraction^TM)
   
• Étude in vitro des propriétés mécaniques de biomatériaux
   
• Étude de l’influence du taux de charges des résines odontologiques composites (fluides) sur les propriétés mécaniques et physico-chimiques des matériaux
   
• Caractérisation microstructurale des métaux et des alliages

Transfert technologique

Création de la société ProVisys Engineering afin de valoriser et de transférer les savoir-faire expérimentaux de l’équipe (Brevets Vidéotraction^TM 2002 et couplage Vidéotraction^TM /spectroscopie Raman 2011).

Enseignants-Chercheurs

• Zoubir AYADI
• Rémy BALTHAZARD
• Abdesselam DAHOUN
• Yves MESHAKA
• Eric MORTIER
• Marc PONCOT
• Isabelle ROYAUD
• Jean-Philippe TINNES

Doctorants

• Oumaima FAKRAOUI
• Maïté FERNANDES TRONCO
• Sreelakshmi MOOZHIYIL PURUSHOTHAMAN
• Hugo PIERSON-REMY

Emerites

• Christian G'SELL
• Gérard MICHOT