LEM3

UMR CNRS 7239
UdL
CNRS
A&M

                               
Equipes
CeDyn : Dynamique et Conditions extrêmes
Responsables
Sébastien MERCIER & Guy SUTTER
Membres permanents
Nom Prénom Statut Bâtiment Bureau Téléphone
BAHISlim Ingénieur de Recherche UL - CDD LEM3 005-R+3 03-72-74-78-66
CHENWen Maître de conférences LEM3 025-R+2 03-72-74-77-96
CZARNOTAChristophe Maître de conférences LEM3 023-R+4 03-72-74-78-18
DASCALUCristian Professeur LEM3 010-R+2 03-72-74-78-38
DOSSOUEdgar D. ITRF en Disponibilité Autre
LISTGautier Maître de conférences LEM3 022-R+4 03-72-74-78-87
MERCIERSebastien Professeur LEM3 018-R+4 03-72-74-78-19
MOLINARIAlain Professeur émérite LEM3 016-R+4 03-72-74-78-08
SARTORICédric Maître de conférences LEM3 026-R+4 03-72-74-78-34
SUTTERGuy Professeur LEM3 018-R+3 03-72-74-78-06

Membres non permanents
Nom Prénom Statut Bâtiment Bureau Téléphone
ATIEZOMegbeme Doctorant LEM3 004-R+2 03-72-74-53-74
FRYDRYCHKarol Post-Doctorant LEM3 026-R+4 03-87-31-78-34
GBETCHIKokouvi Doctorant LEM3 028-R+2 03-72-74-77-75
GIRARDGautier Doctorant LEM3 019-R+4 03-72-74-78-53
MBAREKImen Asma Doctorant ENIM 1818 03-72-74-87-00
SUBRAMANIManoj Doctorant LEM3 001-R+4

Thématiques couvertes
L’équipe CEDyn est une équipe avec une activité à la fois expérimentale et théorique. Ses activités s’articulent autour du comportement mécanique des matériaux ductiles ou fragiles soumis à des sollicitations extrêmes incluant les grandes vitesses de déformation, les grandes déformations et les hautes températures. Au niveau expérimental, l’équipe développe des expériences et des équipements spécifiques, voire uniques car les équipements dans le domaine des conditions extrêmes ne sont pas courants. Pour les matériaux ductiles sollicités en grandes vitesses de déformation, des effets dynamiques et d’échauffement adiabatique apparaissent. Les grandes déformations induisent souvent l’apparition de l’endommagement et des instabilités, qui sont à la fois étudiés expérimentalement et analysés au travers de modèles théoriques.

L’usinage à grandes vitesses pour lequel l’équipe a développé des activités très fortes avec un rayonnement international, résume bien à lui seul les enjeux scientifiques liés aux sollicitations extrêmes. Les problématiques de l’usure et du frottement sont un enjeu majeur et il convient de poursuivre l’effort de compréhension afin d‘améliorer les connaissances et donc d’affiner les modélisations. Pour les matériaux fragiles, les sollicitations rapides génèrent des endommagements conséquents que des moyens expérimentaux originaux et des modélisations développées au sein de l’équipe permettent de quantifier.
Projets
Pour la période 2013-2017, l’équipe CEDyn souhaite poursuivre les recherches dans les domaines suivants :
  • Usinage à grande vitesse, caractérisation expérimentale et modélisation du procédé.
  • Frottement dynamique et usure.
  • Comportement dynamique des matériaux.
  • Approche multi-échelle pour la description du comportement des matériaux et de la rupture.
  • Instabilité.
Dans la suite, nous allons présenter le projet et les actions que nous souhaitons mener dans chacun de ces axes. Nous mettons l’accent sur un thème fédérateur : la caractérisation en température des matériaux. Par ailleurs, nous présentons de manière synthétique les collaborations que l’équipe CEDyn entend développer avec les autres équipes du LEM3 et d’autres laboratoires messins, notamment le LABPS (ENIM, UdL).
Usinage à grande vitesse
Analyse du processus
L’originalité du travail proposé dans ce domaine réside dans la maîtrise des outils expérimentaux novateurs pour mieux appréhender les phénomènes mis en jeux lors de la coupe. Un dispositif balistique autorise l’étude approfondie des paramètres fondamentaux de la formation du copeau. Nous avons le projet d’améliorer cet équipement pour observer plus précisément la formation des copeaux en temps réel afin de mesurer les champs de déformation et de température. Cette étude sera réalisée grâce à un nouveau système d’enregistrement photographique ultra-rapide.

En outre, l’analyse de surface des outils endommagés lors de l’usinage à grande vitesse et à sec de matériaux très divers (acier, titane, aluminium, composites…) nous permettra de mettre en évidence les mécanismes complexes de l’usure.
Modélisation du procédé
Une première approche numérique de la modélisation de l’usinage est actuellement mise en application. Les résultats numériques obtenus à l’aide du code de calcul par éléments finis ABAQUS seront confrontés à l’expérience dans le domaine de la grande vitesse. Des modèles analytiques originaux de coupe seront également développés suivant la méthode de visio-plasticité. D’une part, les lignes d’écoulement seront observées en temps réel lors du mécanisme de formation d’un copeau en coupe orthogonale. A l’aide d’un modèle analytique basé sur la détermination de fonction de courant, il sera possible de remonter à la connaissance des vitesses de déformations ainsi qu’au champ de déformation dans les différentes zones de plasticité du copeau.

D’autre part, les champs thermiques mesurés à l’aide d’une caméra CCD intensifiée travaillant dans le domaine du visible permettent de remonter à la distribution de température à l’interface outil-copeau.
Frottement dynamique et usure
Frottement dynamique
Les phénomènes de frottement dans le domaine des grandes vitesses et des grandes pressions de contact sont encore très mal connus. Une approche expérimentale est menée grâce au dispositif balistique développé au laboratoire. Il permet de mesurer les coefficients de frottement pour différentes vitesses de glissement jusqu’à 120 m/s et différentes pressions de contact (de l’ordre de plusieurs centaines de MPa). L’utilisation de la caméra CCD intensifiée permet en outre d’aborder les phénomènes thermiques et de mesurer les températures flash. L’étude du frottement dynamique aura pour but de fournir des lois de frottement adaptées aux procédées de mise en forme et en particulier à l’usinage qui sont primordiales pour modéliser correctement les procédés. L’évolution du coefficient de frottement macroscopique sera étudiée en fonction de la vitesse de glissement, de la pression de contact et de la rugosité de surface.

Les mécanismes d’interaction des surfaces seront également étudiés au niveau des contacts des aspérités. Des approches par éléments finis du frottement complètera l’analyse. Des moyens d’investigations tels que la profilométrie par interférométrie, la microscopie à balayage électronique seront employés dans le but de caractériser et modéliser les phénomènes de frottement.
Usure
L’analyse topographique et physico-chimique des surfaces usées en conditions extrêmes nous permet de mettre en évidence les mécanismes d’usure particuliers tels que l’usure par diffusion et par abrasion. A l’aide des dispositifs d’étude décrits précédemment il est possible de mesurer les profils de température à l’interface outil-copeau pour des outils neufs et usés. Ces profils de température, qui sont très difficiles à obtenir expérimentalement, ont été utilisés dans un modèle d’usure pour prédire l’évolution des cratères sur la face de coupe des outils.

Une étude est menée actuellement sur la faisabilité d’intégrer les loi d’usure décrivant la formation de cratère sur la face de coupe des outils dans des logiciels par éléments finis tels que ABAQUS. Un des objectifs est de permettre d’utiliser l’outil numérique pour prédire la durée de vie des outils en diminuant le nombre d’essais expérimentaux qui sont longs et coûteux à mettre en œuvre.
Comportement dynamique des matériaux
Matériaux ductiles
Le travail de recherche sur le comportement des matériaux a deux objectifs principaux :
  • utiliser et implémenter des lois de comportement thermoviscoplastiques dans les codes de calcul par éléments finis et dans des modèles analytiques.
  • obtenir les lois de comportement des matériaux dans le domaine des grandes vitesses de déformations à l’aide des dispositifs expérimentaux existants (barre de Hopkinson en compression et en torsion, machine hydraulique rapide).
L’un des points novateurs de la démarche consiste à chercher à utiliser le procédé d’usinage en coupe orthogonale comme outil de caractérisation des matériaux dans le domaine des vitesses de déformation non accessible par utilisation classique des barres de Hopkinson. La plateforme K-dyn, au sein de PM2 est aussi une opportunité importante pour moderniser et affiner la caractérisation des matériaux sous des sollicitations rapides. En particulier, nous proposons de développer des essais de caractérisation du comportement en s’appuyant la machine hydraulique rapide (à grande capacité de charge) offrant des vitesses de déplacement jusqu’à 20 m/s. Elle complétera avantageusement la machine hydraulique rapide du laboratoire qui ne pouvait atteindre que 4m/s. Par ailleurs, nous souhaitons développer les mesures de champs de déformation par corrélation d’images obtenues à l’aide de caméra rapide et/ou ultra-rapide.
Matériaux fragiles
Au cours des 4 dernières années, de nombreux travaux expérimentaux et numériques ont été initiés et développés au sein de l'équipe dans le domaine du comportement dynamique des matériaux fragiles (bétons, microbétons, graphite, polymère). En particulier des nouvelles méthodes expérimentales ont été mises au point pour étudier et caractériser le comportement et l'endommagement de ces matériaux à haute vitesse (essais d'écaillage, essais de compression quasi-oedométrique, essais de cisaillement dynamique, essais d'impact sur la tranche, essais de cratérisation). Différents axes de recherche sont envisagés au cours des prochaines années dans la continuité des travaux réalisés :
  • D'une part, en s'appuyant sur les approches expérimentales et numériques existantes, il s'agit d'étudier le comportement dynamique d'autres types de matériaux fragiles. Ainsi dans le cadre d'une collaboration avec le CEA, le comportement dynamique et à l'impact de matériaux de génie civil (briques, parpaings, bétons de fibres) doit être étudié. Dans le cadre d'un projet portant sur le carottage par impact, le comportement en traction dynamique et en compression confinée de roches (granite, marbre, calcaire) fera l'objet d'une caractérisation expérimentale et de travaux de modélisation. Dans le cadre d'un projet ANR déposé en association avec le laboratoire LGGE (Grenoble) le comportement mécanique de la glace de grêlons doit faire l'objet d'expérimentation et de calculs numériques. D'autre part, des travaux théoriques et expérimentaux sont prévus portant sur le comportement à haute vitesse de céramiques dans le cadre d'un projet en relation avec Saint-Gobain et le CEA.

  • D'autre part il s'agit de mettre au point de nouvelles méthodes expérimentales. Ainsi, en s'appuyant sur le projet d'investissement K-DyN, un banc de barres de Hopkinson de gros diamètre (100 mm) doit permettre de réaliser des essais d'écaillage sur échantillons de gros diamètre (100 mm). Cette taille d'échantillon est requise pour l'étude du comportement dynamique de bétons standards (diamètre max. de granulats : 20 mm). De plus ce banc d'essais sera utilisé pour caractériser le comportement en compression confinée dynamique des bétons et des roches. Ce projet bénéficie du soutien du CEA et de l'IRSN. En outre une presse hydraulique à forte capacité (20 m/s, 100 kN) doit être acquise. Cet équipement doit permettre de caractériser le comportement en traction et en cisaillement de matériaux fragiles à vitesse de déformation intermédiaire (0.1-10/s) mais également de tester des éléments de structure à échelle réduite afin de voir dans quelle mesure les résultats obtenus à l'échelle du matériau peuvent être transposés à l'échelle de véritables structures. Ces travaux seront menés dans le cadre de différentes collaborations universitaires (pôle PREVI) et industrielles (CEA, DGA, IRSN).
Caractérisation en température
L’équipe a participé activement sur la période 2004-2009 a un réseau d’excellence KMM NoE dédié aux matériaux intermétalliques, composites métal-céramique et à gradient de propriétés. Nous avons été porteurs d’une des 12 actions de recherches dédiée aux intermetalliques massifs notamment TiAl, FeAl et Nb3Sn. Concernant les TiAl, les applications envisagées concernent les aubes de turbine dans les derniers étages des moteurs d’avion. Les températures d’utilisation sont de l’ordre de 700°C à 800°C. Nous avons été chargés de la caractérisation du comportement des TiAl et il est apparu un manque important au sein du LEM3 et plus généralement en France pour des essais en température et à grande vitesse de déformation. Ce besoin de caractérisation à haute température se retrouve d’ailleurs dans de nombreux thèmes portés par l’équipe.

On peut citer à titre d’exemple supplémentaire, le contact outil-copeau qui engendre des températures importantes et il convient aussi de bien connaître le comportement des matériaux usinés à haute température. Cet aspect caractérisation en température ne concerne pas uniquement les matériaux ductiles. La caractérisation du comportement dynamique des matériaux fragiles à haute température constitue un autre axe de recherche prometteur. Ainsi, très peu de résultats expérimentaux ont été publiés dans la littérature concernant le comportement en traction dynamique et en compression confinée des bétons à des températures supérieurs à 100°C ou suite à des cycles de gel-dégel. Il s'agit de vérifier si les propriétés sont affectées dans les mêmes proportions que sous chargement quasi-statique. De même, la résistance dynamique des structures en béton suite à un chargement thermique (élévation de température ou température négative) reste largement méconnue. Le comportement au choc des roches en fonction de la température constitue une autre préoccupation qui intervient dans la problématique du forage profond par impact. Une collaboration débute sur ce sujet avec l'académie royale de Suède.

En conséquence, nous avons pour ambition de positionner le LEM3 parmi les laboratoires capables de caractériser le comportement des matériaux du quasi-statique au dynamique pour des températures allant de l’ambiante aux températures élevées jusqu’à 800°C à 1000°C. Pour se faire, nous disposons déjà d’un four à haute température pour essais mécaniques acheté en décembre 2010 via le CPER et des fonds propres et qui peut être installé sur les machines de tests mécaniques du laboratoire (quasi-statique ou faiblement dynamique).

Grâce à la mise en place de la plateforme Kdyn au sein du pôle PM2, nous allons investir en concertation avec le LABPS (ENIM, UdL) dans un système de chauffe d’échantillons pour réaliser des essais de compression aux barres de Hopkinson. Les températures visées vont de l’ambiante jusqu’à 800°C. Des études seront nécessaires de manière à s’assurer que les ondes incidentes et transmises ne sont pas trop affectées par la mise en température locale des barres de Hopkinson et permettent de dépouiller proprement les essais. Ce thème est fédérateur au sein de l’équipe puisque tous les chercheurs et toutes les thématiques de l’équipe en ressentent un fort intérêt. Il convient aussi de signaler les collaborations avec le LABPS (ENIM) sur cette thématique.
Approche multi-échelle pour la description du comportement des matériaux et de la rupture
Approche multi-échelle du comportement
Approche en élasto-viscoplasticité : Une méthode d’homogénéisation simple a été développée au sein de l’équipe pour modéliser le comportement élasto-viscoplastique des matériaux hétérogènes. Elle repose sur une loi d’interaction composée en deux parties et peut être vue comme la somme des lois d’interactions proposées pour l’élasticité et la viscoplasticité. Elle commence à être adoptée par des équipes de recherche au niveau international. On peut citer par exemple les travaux récents de Wang et al, JMPS 2010.

Nous avons validé notre approche sur quelques cas simples de la littérature. Nous avons pour ambition de poursuivre cette validation en comparant les résultats obtenus avec les méthodes avancées développées soit par le LMA de Marseille ou par l’université catholique de Louvain la Neuve, Belgique. Des applications pour les matériaux dilatants pourraient tout à fait être envisagées en collaboration avec l’équipe APLI. Par ailleurs, ces méthodes peuvent tout à fait être intégrables dans un code éléments finis afin de simuler la mise en forme des pièces. Par ces approches, les contraintes internes peuvent être estimées par phase. Une comparaison entre prédiction et mesure peut se faire en collaboration avec l’équipe SMART.
Modélisation multi-échelle des mécanismes d'endommagement et de fracturation
  • Fissuration
Dans le cadre du projet Exam-Brittles (projet ANR sur la période 2008-2012), les mécanismes d'endommagement et de fissuration dynamique amorcés dans les matériaux fragiles sous chargement dynamique sont étudiés. Les travaux expérimentaux ont mis en évidence notamment une forte augmentation de la résistance et de la densité de fissuration avec la vitesse de chargement dans les bétons. Les travaux de modélisation analytique et numérique développés au sein de l'équipe ont pour objectif d'étudier 3 types de mécanisme : les mécanismes micro-inertiels pouvant influencer l'amorçage des microfissures dans ces matériaux, les mécanismes de vitesse limite de fissuration et d'occultation qui conditionnent la densité de fissuration et la résistance dynamique du matériau.

Enfin un mécanisme de cohésion peut influencer la résistance résiduelle du matériau microfissuré ainsi que l'énergie de rupture de ce matériau. Ces différents mécanismes sont étudiés à l'aide d'approches analytiques et numériques (phénomènes inertiels), mais aussi probabilistes (approches de Monte-Carlo) et mésoscopiques (influence de la distribution de granulats sur le comportement dynamique).
  • Endommagement par croissance de vides
Nos travaux sur l’endommagement dynamique ont montré l’importance de la prise en compte de l’effet de micro-inertie sur la croissance des vides lors des essais d’impact. Dans ce type d’essais, la triaxialité des contraintes est importante. Ainsi la partie sphérique du chargement contrôle complètement l’évolution de l’endommagement dans les matériaux. L’endommagement est aussi observé en pointe de fissures pour lequel la triaxialité des contraintes est naturellement plus faible. Il convient alors d’étendre la modélisation à des situations à plus faible triaxialité, nécessitant un couplage certain entre parties déviatorique et sphérique. Ce travail sera fait en collaboration avec l’ENSTA Bretagne. Par ailleurs, à plus faible triaxialité, des effets de forme des cavités peuvent apparaitre et on envisage d’intégrer les changements de forme au cours du chargement en y incluant les effets de micro-inertie.

On voit clairement que l’endommagement et la fissuration des matériaux ductiles et fragiles sont fortement influencés par les phénomènes inertiels lorsque les chargements sont rapides. Il convient de développer des ponts entre les deux approches.
Instabilité
Les études d’instabilités d’écoulement viscoplastiques dans les métaux soumis à de grandes vitesses de déformation constituent un thème récurrent de l’équipe. Cela comprend l’analyse des strictions multiples qui sont le stade précurseur de la rupture par fragmentation (thèse de Skander Elmai en cours avec le CEA/Gramat). Cela inclut également les phénomènes de localisation de la déformation en bandes de cisaillement (application à la segmentation des copeaux en usinage).
Projets transversaux avec d'autres équipes du LEM3
  • Modélisation multiéchelle des matériaux dilatants : APLI
  • Tenue mécanique des circuits imprimés sous chargement thermomécanique : SMART
  • Couplage thermomécanique dans les procédés de mise en forme : SMART
  • Comportement dynamique des matériaux, LABPS (ENIM, UdL)
  • Modélisation du comportement thermomécanique de la glace : APLI
  • Modélisation X-FEM de la fissuration dynamique des bétons : MENU
  • Etude expérimentale et modélisation multiéchelle des géomatériaux : MENU

Finalement, on peut identifier cinq grands thèmes de recherche dans cette équipe : la caractérisation mécanique des matériaux en conditions extrêmes, l’étude des phénomènes de frottement et d’usure, la modélisation du comportement des matériaux en dynamique avec prise en compte des phénomènes d’endommagement ou de fissuration. Un certain nombre de thèmes trouve une application et un intérêt en usinage à grande vitesse, thème que nous souhaitons continuer à investiguer sous un aspect novateur comme indiqué ci-dessus. Pour finir, l’analyse des instabilités reste une thématique récurrence de l’équipe.

Ces thèmes sont souvent caractérisés par la maîtrise conjointe des aspects expérimentaux, de modélisation et de simulation numérique. Cette triple investigation est un point fort de l’équipe et nous souhaitons encore la renforcer dans le futur. Il est évident que ces thèmes de recherche sont développés en forte interaction avec des équipes de recherche en France et à l’étranger.