Procédés de fabrication et calculs de structure

Le comportement des matériaux sous forte contrainte constitue une problématique majeure du pôle Défense. Les mécanismes complexes mis en jeu lors de l’usinage des métaux, la morphologie de leur surface, la maîtrise de leurs défauts donnent lieu à des études expérimentales soutenues.

illus-004 Etude du comportement mécanique des matériaux sous choc (Valduc) – crédit C.Jandaureck/CEA

Leur modélisation permet d’apprécier leur tenue à de hautes températures et leur déformation mécanique, simulée à partir de calculs multi-échelles. La science des matériaux consiste également à étudier de nouveaux alliages et à modéliser des composites.

Pour en savoir plus

Édition 2013

Élucidation du comportement en température d’un alliage de Pu en phase δ en limite de métastabilité Chocs Avancées 2013 / B. RAVAT, B. OUDOT, F. LALIRE, A. PERRON, F. DELAUNAY (cea – valduc)

Au regard du diagramme de phase à l’équilibre thermodynamique, les alliages PuGa en phase δ ne sont que métastables et une concentration proche de 1 at.% en Ga apparait être expérimentalement comme une extrême limite. Caractériser et comprendre le comportement de cet alliage en température fait l’objet du travail présenté ici. Ainsi, l’étude des nombreuses transitions de phases observées au cours de la réversion en température, après transformation martensitique à basse température, a été réalisée. Ce travail s’est appuyé sur des expériences in situ de diffraction des rayons X (DRX) et de dilatométrie couplées à une simulation thermodynamique.

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Essai d’adhérence d'assemblages de composites à l’aide de rampes de compression dynamique Chocs Avancées 2013 / E. BUZAUD, P.-Y. CHANAL (CEA − Gramat), E. GAY, L. BERTHE (Laboratoire procédés et ingénierie en mécanique et matériaux CNRS , Arts et Métiers ParisTech, Paris), M. BOUSTIE (Département de physique et de mécanique des matériaux, Institut Pprime CNRS , ENSMA, Université de Poitiers), M. ARRIGONI (Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes - LBMS, EA 4325, ENSTA-Bretagne, Brest)

La tenue des composites de type carbone/époxy et de leurs assemblages collés suscite un intérêt croissant dans le paysage industriel actuel, particulièrement dans le secteur aéronautique. L’adhérence est l'un des paramètres prépondérants de tenue aux sollicitations mécaniques, et détermine la durée de vie de la structure. Les techniques non destructives conventionnelles ne sont pas satisfaisantes pour mesurer la résistance des assemblages collés et détecter les joints faibles. En revanche, la calibration maîtrisée d’une rampe de compression dynamique à l’aide de la machine GEPI permet d’induire un endommagement plus ou moins prononcé dans le joint de colle et de caractériser ainsi les performances du procédé de collage.

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Édition 2012

Analyse du phénomène de striction en régime dynamique par stéréocorrélation Chocs Avancées 2012 / G. besnard, J.-M. LaGranGe (CEA – DAM ile-de-France), F. hiLd, s. roux (laboratoire de mécanique et technologie, ens cachan / cnrs / upmc, universud paris, cachan), P. MarTinuzzi (cea – valduc)

La compréhension physique des mécanismes de ruine, telle que la striction, implique la réalisation d’expériences élémentaires au cours desquelles les matériaux subissent de grandes déformations, pour différents types de géométrie et de trajets de chargement. Cet article illustre une telle situation dans le cas d’éprouvettes cylindriques en aluminium de différentes longueurs soumises à une sollicitation de traction rapide au moyen de barres de Hopkinson. Afin de caractériser le comportement des éprouvettes, un système d’imagerie numérique rapide est mis en oeuvre. Nous décrivons ici l’accès à l’évolution de l’état de surface au cours du temps par la mise en place d’un système d’acquisition stéréoscopique. Nous insistons sur les spécificités liées à la haute cadence des prises de vue et aux grandes déformations des objets analysés ce qui, dans le contexte de notre étude, nécessite l’emploi de techniques de dépouillement d’images complémentaires.

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Fragmentation de céramiques de blindage Chocs Avancées 2012 / B. erzar, J.-L. zinszner, e. buzaud, P.-y. ChanaL (cea − Gramat), P. Forquin (laboratoire d’étude des microstructures et de mécanique des matériaux, université de lorraine, Île du saulcy, metz)

Les céramiques sont souvent employées dans les systèmes de protection malgré leur nature fragile qui les expose à une fragmentation intense en cas d’impact balistique. Les modèles couramment utilisés décrivent mal cet aspect du comportement. Dans cette étude, la machine GEPI du CEA−Gramat a été utilisée pour caractériser finement le comportement d’une alumine en traction à très haute vitesse de chargement. De plus, des simulations numériques ont été menées avec un modèle d’endommagement décrivant les mécanismes élémentaires activés au cours de la fragmentation des matériaux fragiles.

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Édition 2011
Caractérisation des microballons par holographie Chocs Avancées 2011 / C. Hermerel, A. Choux, P. Mérillot, L. Jeannot (CEA – Valduc), E. Busvelle, J.-B. Vioix (Laboratoire électronique, informatique et image, LE2I, Université de Bourgogne)

Les cibles cryogéniques destinées au Laser MégaJoule (LMJ) sont composées d’une cavité de conversion cylindrique en or de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur, pourvue de 2 ouvertures à ses extrémités pour le passage des faisceaux laser. Le mélange fusible de deutérium-tritium est contenu dans un microballon de polymère amorphe hydrocarboné (ou deutéré) d’environ 2 mm de diamètre et 0,2 mm d’épaisseur. Pour éviter le développement d’instabilités qui perturberaient la mise en condition du mélange fusible et l’amorçage de la réaction de fusion, il est indispensable de maîtriser avec une très grande précision certaines caractéristiques géométriques comme les épaisseurs du microballon et de la couche cryogénique ainsi que leur rugosité. En particulier, il est nécessaire de connaître avec précision le nombre et la taille des défauts présents à la surface externe du microballon (dôme, trou, rayure).

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Analyse 3D d’électrodes SOFC par tomographie FIB Chocs Avancées 2011 / E. Bruneton, N. Vivet (CEA – Le Ripault)

La microstructure en trois dimensions d’anodes de piles à combustible SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) a été obtenue en utilisant un faisceau d’ions focalisé couplé à un microscope électronique à balayage (FIB-SEM). Les paramètres de préparation des échantillons et les conditions opératoires ont été optimisés pour obtenir une reconstruction de très bonne qualité sans artefact. Les fractions volumiques des phases, la manière dont elles sont connectées, leur surface spécifique et les longueurs des lignes correspondant à l’intersection des trois phases analysées sont les paramètres étudiés. Des valeurs de conductivités électronique et ionique ont été calculées à partir du volume reconstruit en résolvant l’équation de transport diffusif par une méthode de différence finie implicite.

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Édition 2010
Caractérisation des phénomènes de striction en dynamique ultra-rapide à l’aide d’une caméra unique Chocs Avancées 2010 / G. Besnard, J.-M. Lagrange (CEA - DAM Île-de-France), F. Hild, S. Roux (LMT-Cachan, ENS Cachan / CNRS / UPMC, UniverSud Paris, Cachan), C. Voltz (CEA - Valduc)

La compréhension physique des mécanismes de ruine (striction puis fragmentation d’un ensemble mécanique) implique la réalisation d’expériences élémentaires au cours desquelles les matériaux subissent de grandes déformations, pour différents types de géométrie et de trajets de chargement. Cet article illustre une telle situation dans le cas d’un cylindre en cuivre mis en expansion par explosif. Afin de caractériser le comportement de l’éprouvette, des systèmes d’imagerie ultra-rapide, grand champ et très résolus, analogiques aujourd’hui mais en mutation vers des solutions « tout numérique », sont mis en oeuvre. Nous décrivons ici l’accès à l’évolution de l’état de surface au cours du temps par la mise en place d’un système d’acquisitions stéréoscopiques en insistant sur les spécificités liées à la très haute cadence des prises de vue, aux grandes déformations des objets analysés et au contexte pyrotechnique.

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Contrôle des effets des radiations dans les fibres optiques phosphosilicates : exemples d’applications dans différents domaines du nucléaire Chocs Avancées 2010 / S. Girard, C. Marcandella, N. Richard (CEA - DAM Île-de-France), G. Origlio, M. Vivona, Y. Ouerdane, A. Boukenter (Laboratoire Hubert Curien, UMR-CNRS 5516, Saint-Étienne, France), M. Cannas, R. Boscaino (Laboratoire LAMP, Universita di Palermo, Palermo, Italie), B. Cadier, T. Robin, A. Laurent (iXFiber SAS, Lannion, France), S. Quenard, N. Authier (CEA - V alduc)

Les études menées en collaboration entre nos différents laboratoires ont permis d’améliorer notre compréhension des mécanismes induits à l’échelle microscopique sous irradiation dans les fibres optiques dopées au phosphore. Les défauts ponctuels à l’origine de la forte dégradation de ces fibres sous irradiation ont été pour la plupart identifiés ainsi que leurs mécanismes de génération. À partir de ces études fondamentales, il a été possible de montrer la faisabilité de diverses applications utilisant ces fibres optiques dans différents domaines du nucléaire. La première, basée sur leur forte sensibilité aux radiations, concerne un outil de dosimétrie in situ résolu spatialement. La seconde, rendue possible par le contrôle de la génération de certains des défauts phosphore sous irradiation, concerne une fibre optique amplificatrice tolérante aux radiations rencontrées dans l’espace.

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Modules d’élasticité du béryllium en fonction de la température Chocs Avancées 2010 / M.-H. Nadal, L. Bourgeois, F. Clément, G. Ravel-Chapuis (CEA - Valduc)

Depuis 2005, le volume de publications concernant le béryllium n'a cessé d'augmenter, en particulier dans le domaine des équations d’état et de la détermination des constantes d’élasticité [1,2]. Dans ce contexte, nous proposons la détermination des modules d’élasticité de polycristaux de béryllium par une méthode ultrasonore dans la gamme de température T ∈ [300-1 000] K. Du fait du comportement atypique du béryllium (coefficient de Poisson très faible), l’approche et l’interprétation des résultats sont globales afin de proposer des tendances d’évolution cohérentes des modules d’élasticité en fonction de la température.

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Diagnostics optiques et modélisation du procédé de projection plasma de nanomatériaux en voie liquide Chocs Avancées 2010 / E. Meillot, D. Damiani, C. Caruyer (CEA - Le Ripault), S. Vincent, J.-P. Caltagirone (Institut de mécanique et d’ingénierie, École nationale supérieure de chimie, de biologie et de physique, Pessac)

La projection plasma de suspension de particules nanométriques permet d’obtenir des dépôts nanostructurés de faible épaisseur permettant d’améliorer les fonctions des pièces revêtues. Cette technique utilise une veine gazeuse à haute vitesse et haute température, générée par une torche plasma, dans laquelle est injectée une suspension du matériau fonctionnel. Les interactions entre le gaz à haute température et le liquide chargé sont nombreuses (fragmentation, évaporation du liquide, traitement thermique des particules) et complexes à analyser du fait des vitesses et du fort rayonnement lumineux généré par le plasma. En simulation numérique directe et sans hypothèse réductrice, les premières images de modélisation d’un train de gouttes et d’un jet continu d’eau pénétrant dans un jet plasma restituent complètement les séquences de fractionnement visualisées en caméra rapide au Laboratoire de projection thermique. Cette étape ouvre des voies prometteuses d’analyse de l’influence des différents paramètres intervenant dans le procédé.

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Édition 2009
Précipitation durcissante dans un alliage d’aluminium soudé par faisceau d’électron Chocs Avancées 2009 / S. Ringeval, G. Texier (CEA - Valduc), V. Vignal (ICB, Université de Bourgogne-CNRS, Dijon), A. Deschamps (SIMAP, INPG-CNRS-UJF, St Martin d’Hères)

L’alliage d'aluminium 7020 à durcissement structural est particulièrement bien adapté à la réalisation de pièces soudées du fait de sa composition sans cuivre. Le soudage de cet alliage par faisceau d’électrons (FE) sous-entend de bien connaître l’impact du procédé sur les propriétés mécaniques du matériau. Cet article présente quelques résultats obtenus lors d’études menées sur la caractérisation des nanostructures en relation avec les propriétés de la liaison soudée.

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Édition 2008
Modélisation thermique multi-échelle de milieux hétérogènes Chocs Avancées 2008 / D. ROCHAIS, F. ENGUEHARD (CEA – LE RIPAULT)

Les moyens de description de la microstructure de matériaux complexes par tomographie X ou par des algorithmes adaptés ont ouvert la voie au calcul des propriétés thermiques de ces milieux. À partir de ces descriptions, nous avons développé une démarche originale de modélisation multi-échelle des transferts par conduction et rayonnement. Cette démarche a pu être appliquée à des matériaux de types composites, alvéolaires, multicouches, superisolants nanoporeux, conçus et élaborés par le CEA pour être utilisés, par exemple, pour leurs propriétés de tenue à une rentrée atmosphérique, de diffuseur de gaz à haute température, d’isolation thermique... Dans cet article, nous illustrons cette approche par deux exemples traitant l’un de la conduction et l’autre du rayonnement.

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Modélisation multi-échelle de l’ablation de composites carbone / carbone Chocs Avancées 2008 / G. L. VIGNOLES, J. LACHAUD, Y. ASPA, M. QUINTARD, J.-M. GOYHENECHE, J.-F. EPHERRE, C. DESCAMPS, F. PLAZANET, N. BERTRAND, G. BOURGET, F. REBILLAT, B. VANCRAYENEST, M. ALRIVIE, P. WEISBECKER, M. DAGES, L. POTDEVIN

L’ablation de matériaux composites carbone/carbone est étudiée expérimentalement, analytiquement et numériquement du point de vue du matériau. Les résultats montrent que les rugosités obtenues sont fonction des contrastes de réactivité entre constituants et de la compétition diffusion/réac- tion hétérogène. Nous évaluons les morphologies et les vitesses effectives de recul dans toutes sortes de situations.

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Effet de l’usinage sur la surface et la sous-couche d’un métal pur Chocs Avancées 2008 / S. BISSEY-BRETON*, J. GRAVIER*,**, V. VIGNAL**, R. BESNARD*, J. FARRÉ* (*CEA – VALDUC, **INSTITUT CARNOT BOURGOGNE (ICB), UMR 5209 CNRS-UNIVERSITE DE BOURGOGNE, DIJON)

Les mécanismes complexes mis en jeu lors d’un usinage affectent l’état mécanique, microstructural et topographique des métaux. De nombreux développements technologiques et scientifiques permettent de minimiser l'amplitude des défauts de type géométrique. Toutefois, ces modifications ont également une influence sur la réactivité des surfaces usinées. Le projet présenté, relatif au tournage de superfinition du cuivre, permet de caractériser l'influence de paramètres d'usinage sur le matériau, de dégager des réponses significatives telles que des mesures de rugosité, de contraintes ou de réactivité de la surface, mais également d'extraire trois domaines dans la zone affectée, correspondant à des phénoménologies différentes. Une telle analyse permettra d’approfondir la connaissance du procédé d’usinage et d’améliorer l’intégrité des pièces usinées.

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Édition 2007
Propriétés thermophysiques des métaux liquides : avancées récentes Chocs Avancées 2007 / M. BOIVINEAU (CEA - Valduc)

Depuis 40 ans, les techniques de chauffage impulsionnel ont été largement utilisées pour étudier les propriétés thermophysiques des métaux à l’état solide et surtout liquide. Celles-ci viennent en complément des techniques de chauffage statique limitées par leur domaine de température (T < 2 000 K) et par la réactivité chimique des métaux liquides. Nous décrivons ici quelques avancées récentes en termes de développements technologiques et de nouvelles données expérimentales obtenues à l’aide de ces techniques de chauffage dynamique.

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Mise à jour : 22/09/2014