Projet de recherche P7/21 (Action de recherche P7)
L’ambition générale du projet est de contribuer à une meilleure compréhension et prédiction des interactions multiéchelles entre les interfaces présentes dans un matériau et les mécanismes de déformation et de rupture, dans le but d’inspirer le développement de nouveaux matériaux aux propriétés mécaniques extrêmes. Le champ de la recherche se place donc à la frontière entre la science des matériaux et la mécanique des solides. Une des forces motrices principales de ce projet est la reconnaissance que les grands progrès réalisés récemment dans le domaine des matériaux nanostructurés, en particulier vers des systèmes ultra-durs, doivent être maintenant intégrés dans une approche plus hiérarchique de la structure des matériaux impliquant le contrôle de plusieurs échelles caractéristiques. Ceci est une nécessité en vue de l’implémentation d’une vision multipropriétés des matériaux, en considérant que plusieurs propriétés mécaniques ne peuvent être améliorées que si les échelles supérieures sont correctement architecturées. Parmi les caractéristiques des matériaux qui peuvent servir à modifier et à optimiser les propriétés mécaniques, les interfaces, tels que les grains, les macles et les joints de phase, les surfaces libres ou anodisées, jouent un rôle central. C’est, en effet, l’effet combiné de toutes ces interfaces qui déclenchent, atténuent ou interagissent avec la déformation et les mécanismes d’endommagement et qui, au final, contrôlent la réponse mécanique du matériau. En fait, la présence des interfaces joue souvent un rôle plus important que la composition chimique. L’accent sera mis sur les propriétés mécaniques comme la résistance, la ductilité, la rupture, le fluage, la fatigue et la résistance à l’usure de systèmes basés sur les métaux possédant une grande densité d’interfaces organisés selon différentes échelles, impliquant éventuellement des couches organiques. Les études porteront sur les matériaux 3D « de volume » et sur des systèmes de petites dimensions sous la forme de films minces ou de nanofils possédant une grande densité d’interfaces. Les questions scientifiques clés comprennent l’importance de la sensibilité à la vitesse de déformation et des contraintes internes provenant de l’abondance de ces interfaces, de la formation et de la mobilité de ces interfaces dirigées par la contrainte ou la déformation, les interactions avec les mécanismes atomistiques élémentaires de déformation et avec les mécanismes de fissuration, ainsi que les effets de taille qui en résultent. L’atteinte de cette ambition permettra de déterminer comment les interfaces peuvent être organisées au mieux sur une gamme d’échelles de longueur dans des matériaux possédant une structure hiérarchisée conçue afin d’imposer les mécanismes adéquats. Les résultats pratiques consistent dans le développement de modèles prédictifs et de méthodes de production améliorées ainsi qu’en des méthodes de caractérisation ayant pour objectif le développement de matériaux nouveaux avec des performances supérieures.
Les objectifs spécifiques sont organisés selon la catégorie d’interface, structurant naturellement les lots de travaux (WP) pour le projet de la manière suivante.
(i) Interfaces statiques et dynamiques, ex. joints de grains, de phase, ou de macles. L’objectif est de caractériser, comprendre et modéliser les interactions entre des interfaces internes et les mécanismes de déformation élémentaires, les mécanismes d’évolution d’interfaces assistés par les contraintes ou les déformations, la compétition avec d’autres mécanismes de déformation, et leur impact macroscopique sur la résistance, la capacité d’écrouissage et la résistance au fluage dans des métaux possédant une grande densité d’interfaces.
(ii) Bandes de localisation et fissures, ex. bandes de cisaillement, bandes de cisaillement adiabatiques, interfaces et fissures de fatigue. L’objectif est de caractériser, comprendre et modéliser l’interaction entre des bandes de localisation et des fissures et les mécanismes élémentaires de déformation, leur formation et l’impact macroscopique sur le compromis résistance, ductilité, fatigue et ténacité dans les métaux.
(iii) Interfaces à gradient et architecturées, ex. régions avec des transitions graduelles de microstructures en termes de taille de grain, secondes phases, texture, précipités durcissant, couche d’oxydes, densité de dislocations et/ou solution solide. L’objectif est de caractériser, comprendre et modéliser l’effet de gradients de microstructure dans des matériaux architecturés avec pour objectif l’optimisation de la résistance, ductilité, fatigue et résistance à l’usure macroscopique.
En plus de ces investigations qui délivreront de nouvelles connaissances fondamentales, le but sera aussi d’aller un pas plus loin en articulant ces nouvelles connaissances et en élucidant comment toutes ces interfaces peuvent être architecturées de manière optimale à différentes échelles afin de coopérer pour obtenir de meilleures performances. La philosophie sera de commencer avec une définition de besoins/propriétés pour des applications spécifiques et de déterminer la meilleure structure en suivant l’approche moderne de “conception des matériaux”. Une tâche transverse spécifique sera consacrée à cet effort.
La caractérisation de l’interaction complexe entre les défauts et les interfaces, qui prennent source au niveau atomique et à une échelle supérieure, requièrent une panoplie de matériaux modèles et de techniques expérimentales. De nouveaux modèles constitutifs basés sur la description physique et micromécanique prenant en compte les interfaces doivent être formulés et des méthodes numériques améliorées doivent être développées pour représenter correctement les différentes échelles et la présence d’interfaces éventuellement évolutives. Afin d’adresser tous ces défis scientifiques, les partenaires du réseau vont donc partager et continuer à développer leurs expertises relatives à une grande variété de techniques, d’outils, de modèles et de codes. Ces “méthodes” seront regroupées dans des tâches transverses.
Des matériaux modèles seront produits avec des architectures 2D ou 3D. La production de systèmes 2D impliquera des films minces, et des multicouches déposées par les techniques de CVD, PVD, ALD, recouvrement et fusion par laser, électrochimie, éventuellement avec des couches anodisées, impliquant des précipités, des macles ou une solution solide, ainsi que des couches polymériques et nanoporeuses, avec des motifs réalisés par FIB ou lithographie. La production de systèmes 3D impliquera des matériaux à grains ultrafins alliées produits à l’aide de méthodes impliquant de grandes et rapides déformations comme l’ECAP, la torsion dynamique, la production par friction malaxage, le formage explosif, le co-laminage cumulatif, complétés de macrolithographie et de techniques de dé-alliage.
La caractérisation et les essais s’appuieront sur divers types d’essais mécaniques in-situ couplés au TEM et sur la diffraction des neutrons et synchrotron, sur la microdiffraction et la tomographie, sur l’analyse de surface, le monitoring in-situ des contraintes durant le dépôt de films, le balayage CT par rayons-X, la cartographie cristallographique dans le SEM (EBSD) et en TEM (OIM) avec analyse ODF, sur des tests mécaniques on-chip sur films minces, et sur de la nanoindentation et du nanogriffage, de la nanoDMA, de la fissuration d’interface et des tests d’usure, ainsi que sur des essais mécaniques statiques et dynamiques plus classiques.
Les modèles constitutifs micromécaniques avancés développés dans le passé par plusieurs partenaires et intégrés dans des stratégies de modélisation multi-échelles devront être étendus en portant une attention particulière sur le traitement des effets de taille, des contraintes internes et des mécanismes activés thermiquement. Des théories de plasticité d’ordre supérieur ou de plasticité cristalline, informés par des modèles à plus petite échelle de dynamique moléculaire ou de dynamique des dislocations, constitueront les fondations pour adresser les mécanismes d’intérêt. Des méthodes numériques avancées seront requises pour l’implémentation de ces modèles dans des codes éléments finis, afin de permettre les transitions d’échelle jusqu’au niveau macroscopique et la prédiction de la résistance, la ductilité, la fatigue et l’usure, influencés à la base par les interfaces statiques, dynamiques et à gradient ou par des surfaces. Des développements additionnels permettront traiter des interfaces dynamiques mobiles ou se fissurant, et de modéliser les contacts pour l’usure ou la griffe.
La motivation finale de cette recherche est que les réponses apportées à toutes ces questions fondamentales puissent guider la production de matériaux nouveaux avec des performances structurales accrues. Le développement économique de long terme de notre société est face à des défis critiques et urgents dans la gestion de l’énergie et des ressources naturelles, et face à des questions environnementales, tels que celles concernant les déchets solides et le cycle de vie des biens consommables. Les matériaux à hautes performances impliquant de meilleurs jeux de propriétés vont de paire avec une utilisation plus efficace des ressources, des applications plus sûres et plus fiables, et un allongement de la durée de vie des systèmes issus de ces matières. Par exemple, l’industrie du transport pousse pour des matériaux plus légers et plus sûrs ; les revêtements doivent être plus résistants à l’usure afin d’assurer une protection de plus longue durée ; au niveau énergétique, la production, le captage et la récupération d’énergie requièrent des matériaux avec des propriétés versatiles impliquant souvent des hautes températures ; les composants microélectroniques et micro-électromécaniques doivent devenir plus fiables.
Le projet sera porté par un groupe très intégré constitué de 5 équipes belges et 4 partenaires internationaux, ce qui représente environ (pour les partenaires belges) 20 académiques, 120 chercheurs et 35 membres du personnel technique/administratif travaillant directement sur le sujet du projet, ayant entretenus des collaborations fructueuses depuis de nombreuses années. Afin de garder l’accent sur les défis et les questions scientifiques plutôt que sur les techniques, le projet est d’abord focalisé sur les lots de travaux liés aux catégories d’interfaces. Cette approche verticale favorise les interactions entre les expérimentateurs en charge de la mise oeuvre des matériaux, les expérimentateurs en charge de la caractérisation et des essais, les experts numériciens, et les théoriciens. Cette structuration force une approche multidisciplinaire. De façon schématique, chaque WP implique 3 tâches, chacune d’elle est portée par 2 à 4 chercheurs provenant d’au moins 3 partenaires. Le projet financera environ 15 chercheurs à plein temps, environ la moitié du temps-homme nécessaire pour atteindre les objectifs de ce projet, le reste provenant d’autres sources assurées par les partenaires. Toutes les tâches commenceront la première ou la deuxième année du projet et dureront généralement 4 ou 5 ans. L’activité du réseau implique aussi l’éducation scientifique des doctorants et post-doctorants, la dissémination du savoir et sa visibilité.
