Structuration de surface par laser dans l'environnement des accélérateurs de particules: relation entre topographie superficielle, adhésion des particules et compatibilité aux applications ultravide

Résumé de la thèse en français

Dans le Large Hadron Collider (LHC), le faisceau de particules, accélérées à haute énergie, circule dans un tube inséré dans un aimant supraconducteur, réfrigéré à 1.9 K, dans un vide poussé, afin d'éviter les collisions avec des molécules de gaz. Un des facteurs limitant l'intensité des faisceaux est la production en cascade d'électrons qui augmente la charge thermique pour le système cryogénique. La structuration de surface par laser offre une voie prometteuse pour réduire le taux d'électrons secondaires (ou, SEY) de la paroi du tube et atténuer les effets du nuage d'électrons. Le balayage de la surface par le faisceau laser pulsé creuse des sillons en ablatant le cuivre, dont une partie est redéposée sur la surface en particules majoritairement sphériques, de l'ordre de quelques micromètres de diamètre. Cette rugosité à deux échelles permet l'absorption efficace des électrons. Néanmoins, l'augmentation de la rugosité de la surface détériore d'autres fonctionnalités de la surface, en particulier l'impédance de la surface. Le choix de la topographie optimale, réduisant le SEY tout en limitant les impacts négatifs sur le reste du système, est donc un équilibre qui repose sur la connaissance détaillée des propriétés morphologiques et physico-chimiques de la surface en fonction des paramètres de l'irradiation laser. Une analyse quantitative et qualitative des caractéristiques à l'échelle des sillons et des particules a donc été menée. L'étude microstructurale par Microscopie Electronique en Transmission a mis en évidence les transformations morphologiques et chimiques lors du traitement. En particulier, une fine couche d'oxyde a été observée malgré l'atmosphère d'azote protectrice utilisée pendant le traitement. La masse de matériau évaporé durant le traitement, évaluée par analyse microscopique, augmente proportionnellement à la densité d'énergie déposée par l'irradiation laser. Une partie de cette matière est re-condensée sur la surface sous forme de particules, le reste est de poussière volatile. La distribution en taille des particules présentes sur la surface traitée par laser a été évaluée par nano-tomographie effectuée par MEB-FIB. Lors du fonctionnement du LHC, la paroi du système à vide est soumise à des forces électromagnétiques et à des variations entre température ambiante et 4 K. Afin de qualifier l'adhérence des particules, sous ces conditions, en laboratoire, deux méthodes d'extraction de particules ont été mises en place, reposant sur l'application d'accélérations générant des forces d'inertie. Les accélérations atteintes à la surface des échantillons placés dans des centrifugeuses la soumettent à des forces statiques volumiques importantes. Le LAser Shock Adhesion Test (LASAT), habituellement dédié aux essais d'adhérence de revêtements par délamination, a aussi été appliqué pour l'extraction de particules présentes à la surface. Cette application détournée a nécessité une vaste campagne de calibration à partir de mesures de vitesse réalisées grâce au dispositif d'interférométrie VISAR. Les caractéristiques des accélérations appliquées sur les particules ont ainsi été déterminées en fonction des configurations expérimentales du LASAT et de la température de l'échantillon portée à 70 K. Pour les deux méthodes, la collecte et l'analyse des particules détachées ont permis la quantification de la masse et de la morphologie du matériau éjecté en fonction des sollicitations mécaniques et de la température de la surface. Il a été montré que le SEY de la surface ne serait pas affecté par le détachement de particules à la suite aux sollicitations mécaniques des forces électromagnétiques dans l'accélérateur. Néanmoins, la quantité de cuivre ainsi décollée, et plus encore, l'importante production de poussière lors du traitement robotisé, en milieu confiné, sont des questions qui demeurent ouvertes et devraient motiver le choix de paramètres de traitement alternatifs, ou bien d'une stratégie de nettoyage.

Résumé de la thèse en anglais

In the Large Hadron Collider (LHC), beam of particle bunches possibly of protons are accelerated to collide in 4 defined experimental areas equipped with detectors. To avoid collisions with the gas molecules, particle beams circulate in an ultra-high vacuum chamber, partly cooled to 1.9 K. Electron multipacting and electron cloud formation have been identified as being the major limiting factors for the cryogenic system in high-intensity positive particles accelerators. Laser-assisted surface structuration is a promising method to treat the copper surface of the vacuum chamber, in-situ, inside installed magnets. Pulsed laser irradiation of copper in a parallel pattern creates grooves by material ablation. A part of the ablated material is redeposed as particle aggregates. The two-scale roughness decreases the Secondary Electron Yield (SEY) of surfaces by geometrical effects. Nevertheless, the rugosity increase has a detrimental effect on other surface functionalities, in particular impedance. During LHC operation, the surface is submitted to electro-mechanical force and cooling cycles from room temperature to 4 K. The salient features of the surface morphology as a function of the parameters used for the treatment had to be identified. The objective was, then, to select a surface topography fitting the SEY requirement and mitigating the drawback effects on the system, based on specifically developed assessment methodologies. Multi-scale surface morphology transformations occurring during the pulsed laser treatment have been described based on a literature review of laser-matter interaction and on microscopic observations carried out on treated samples. Transmission Electron Microscopy microstructural analyses highlighted the presence of oxide layer formed at the surface of laser-processed material despite the nitrogen protective atmosphere used during the treatment. The ablated material mass, estimated from microscopic analysis, increases linearly with irradiating energy density. This matter is partly re-condensed creating the particle overlay, the rest is unattached dust. Electron tomography by FIB-SEM was applied for qualitative characterization of particles at the nano-scale. Mechanical characterizations focused on applying non-contact, forces on particles to assess their adhesion. Two extraction techniques, relying on inertia forces, were developed, aiming to explore on a large range of amplitude and duration. In centrifuges, the acceleration reached on the sample surface was 275 000 g leading to a reproducible static force field pulling the particles out of the surface. The LAser Shock Adhesion Test (LASAT), developed to assess the adhesion of coatings by spallation, was utilized to accelerate the surface of treated samples. Pressure shock waves generated by nanosecond laser irradiations produce sharp velocity variations of the surface. Deceleration, and therefore applied inertia force was evaluated from the dynamics of the sample macroscopic surface. The diverted use of LASAT required a calibration study based on velocity measurement by an interferometer VISAR to determine the surface dynamics as a function of the LASAT experimental configurations. The influence of the cryogenic temperatures was evaluated both using samples which underwent thermal cooling/warming cycles and cooling to 70 K of the samples during the laser shocks. Recuperation and analysis of detached particles allowed the quantification of ejected material as a function of mechanical stresses. The mass of particles which could be detached during the accelerator operation has been extrapolated from these results. It was shown that SEY would not be detrimentally increased by particles detachment due electromagnetic forces. Nevertheless, the detached material and even more, the massive dust produced during the treatment raise issues that should motivate the choice of alternative treatment parameters and an implementable cleaning strategy.

Titre anglais : Laser treated surfaces in particle accelerators: relation between superficial topography, particle adhesion and compatibility for ultra high vacuum applications
Date de soutenance : jeudi 10 décembre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : En visioconférence intégrale – –
Directeurs de thèse : Alain THOREL, Michel JEANDIN

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Caractérisation des mécanismes de déformation de polymère et de matériau composite par imagerie 3D et diffraction

Résumé de la thèse en français
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Résumé de la thèse en anglais
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Titre anglais : Characterization of deformation mechanisms in polymer and composite materials via three dimensional X-ray imaging and diffraction
Date de soutenance : lundi 30 novembre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : Centre des Matériaux – MINES ParisTech 63 – 65 rue Henri-Auguste Desbruères 91000 Évry – En visioconférence partielle – salle C001-C005
Directeurs de thèse : Henry PROUDHON, Jean-Paul ITIÉ

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Étude d'un alliage de titane β "transformable par déformation" : lien entre propriétés mécaniques, microstructures de déformation et mécanismes de rupture

Résumé de la thèse en français

Afin de pallier la ductilité et le taux d'écrouissage limités des alliages de titane, une nouvelle famille a été développée : les alliages de titane β transformables par déformation. Leurs mécanismes de déformation mettent en jeu la plasticité induite par transformation de phase (effet TRIP) et par maclage (effet TWIP), et sont largement étudiés depuis une dizaine d'années. Au contraire, la compréhension des mécanismes de rupture de ces alliages est faiblement documentée alors qu'elle reste essentielle afin de gagner en maturité dans leur développement. Ce projet avait pour but d'étudier en détail le comportement mécanique sous sollicitations variées d'un alliage ? TWIP : Ti-8,5Cr-1,5Sn. Dans un premier temps, une méthodologie d'étude systématique de cette famille d'alliages a été mise au point. Nous avons statué sur les conditions de traitement thermique (épaisseur de trempe) et de réalisation des essais (géométrie d'éprouvette, type de chargement) et sélectionné les essais les plus pertinents pour une étude complète du comportement mécanique d'un alliage TRIP/TWIP. Cette méthodologie a ensuite été validée sur un alliage Ti-8,5Cr-1,5Sn tout d'abord à température ambiante, puis à température négative. Le comportement mécanique a été évalué dans une large gamme de conditions : traction uniaxiale, traction sur éprouvette entaillée, résilience, ténacité. Les contributions respectives de l'amorçage et de la propagation de fissure ont notamment été déterminées. Une corrélation, multi-échelles (optique, MEB, MET), a permis de mettre en évidence une rupture par localisation de la déformation, sans endommagement, fortement corrélée aux mécanismes de déformation plastique et indépendante des variations de vitesse de sollicitation et de triaxialité des contraintes. A température négative, l'absence de transition ductile-fragile a été mise en évidence sur les mécanismes de rupture, tout comme la conservation de la phénoménologie observée à l'ambiante (pas d'effet TRIP déclenché). La rupture, alors à basse énergie, met toujours en jeu un mécanisme ductile à cupules. La rupture reste régie par la localisation de la déformation, qui se déclenche d'autant plus tôt que la température d'essai est basse. Cette étude nouvelle ouvre donc un axe prometteur sur la compréhension de la rupture des alliages de la même famille

Résumé de la thèse en anglais

In order to tackle the lack of ductility and work-hardening of titanium alloys, a new family is being developed, namely, strain-transformable  β titanium alloys. The deformation mechanisms involve transformation induced plasticity (TRIP effect) and twinning induced plasticity (TWIP effect). They have been widely studied over the last ten years. On the other hand, the understanding of fracture mechanisms of TRIP/TWIP titanium alloys still remains poorly documented although this is a key to improve the development of these alloys. Therefore, this project is an in-depth study of the mechanical behavior of a Ti-8.5Cr-1.5Sn ? TWIP alloy, under various loading conditions. First, a methodology for the systematic study of this family of alloys has been developed. We selected the most relevant tests for a complete study of the mechanical behavior of a TRIP/TWIP alloy by investigating heat treatment conditions (quenching thickness) and mechanical testing conditions (specimen geometry, loading mode). Then, this methodology was validated on the Ti-8.5Cr-1.5Sn alloy first at room temperature, then at subzero temperatures. The mechanical behavior was evaluated under a wide range of conditions giving access to tensile strength, impact toughness, and fracture toughness. The respective contributions of crack initiation and crack propagation were determined. A multi-scale correlation (optical, SEM, TEM) highlighted fracture by localized plastic flow, without damage development, strongly correlated with the plastic deformation mechanisms and independent of variations in strain rate and stress triaxiality. At subzero temperatures, the absence of ductile-to-brittle transition was demonstrated on the failure mechanisms, as was the preservation of the phenomenology observed at room temperature (no triggered TRIP effect). Low energy fracture encountered at lower temperatures still involved a ductile dimple mechanism. It remained governed by localized plastic flow, which is triggered all the earlier the lower the test temperature. This new study opens up a promising avenue for understanding the fracture of alloys of the same family.

Titre anglais : Study of a "strain-transformable" β titanium alloy : link between mechanical properties, deformation microstructures and fracture mechanisms
Date de soutenance : vendredi 13 novembre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : – En visioconférence intégrale
Directeurs de thèse : Anne-Françoise GOURGUES, Frédéric PRIMA

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Localisation de la déformation et rupture ductile dans les monocristaux : application aux aciers austénitiques inoxydables irrad

Résumé de la thèse en français

Pour leurs excellentes propriétés mécaniques et d'oxydation, les aciers austénitiques inoxydables sont largement utilisés dans l'industrie nucléaire, en particulier pour les structures internes de coeur des réacteurs. Toutefois, les niveaux d'irradiation neutronique importants auxquels ces matériaux sont exposés peuvent nuire à leurs propriétés mécaniques. Une forte baisse de la ténacité est en effet observée à mesure que la dose d'irradiation augmente. Selon les conditions d'irradiation (température, dose), on distingue principalement deux types de défauts induits par l'irradiation pouvant être responsables de ce comportement : des boucles de dislocations de Frank à basse température d'irradiation (?300 ?C) et des nano-cavités à haute température (?600 ?C). Comme ces défauts existent et agissent à des échelles inférieures à la taille de grain, leurs effets peuvent être étudiés à l'échelle du monocristal. Tout d'abord, ce travail vise à obtenir des données expérimentales sur le comportement mécanique des monocristaux d'acier inoxydable austénitique. Ensuite, la modélisation de la localisation de la déformation plastique induite par l'adoucissement survenant dans les aciers irradiés est étudiée. Les limites d'un modèle de plasticité cristalline à gradient sont exposées sur la base de prédiction analytiques de l'apparition de bandes de localisation. Une théorie étendue tenant compte de l'évolution de la longueur interne est proposée. Une attention particulière est alors accordée à l'efficacité numérique de la mise en oeuvre par éléments finis du modèle de plasticité à gradient susmentionné. Des formulations basées sur l'approche micromorphe ou sur une approche à multiplicateur de Lagrange sont décrites et comparées à l'aide de simulations par éléments finis. Enfin, un modèle de rupture ductile de monocristaux poreux est proposé – incluant à la fois la croissance et la coalescence des cavités – afin d'étudier l'impact des nano-cavités induites par irradiation sur le comportement mécanique des aciers austénitiques inoxydables. Le modèle est mis en place dans un formalisme à gradient afin de régulariser la rupture ductile.

Résumé de la thèse en anglais

For their excellent mechanical and oxidation properties, austenitic stainless steels are widely used in the nuclear industry, in particular for structural applications inside the core of reactors. However the substantial neutron irradiation levels these materials can be exposed to can detrimentally affect their mechanical properties. A sharp drop of toughness is indeed observed as the irradiation dose increases. Depending on the irradiation conditions (temperature, dose), mainly two kinds of radiation-induced defects can be responsible for this behaviour: dislocation Frank loops at low irradiation temperature (?300 ?C) and nano-voids at higher temperature (?600 ?C). Since these defects exist and act at the subgrain level, it motivates to study their effects at the single crystal scale. First of all, this work aims at obtaining experimental data on the mechanical behaviour of austenitic stainless steel single crystals. Then, modeling of softening induced strain localization phenomena, as those taking place in irradiated materials, is investigated. The limitations of a reduced strain gradient crystal plasticity model regarding shear bands predictions are exposed on the grounds of analytical solutions and an enhanced theory accounting for internal length evolution is proposed. Thereupon attention is given to the numerical efficiency of the finite element implementation of the aforementionned strain gradient plasticity model. Micromorphic and Lagrange multiplier based formulations of the original theory are described and compared upon finite element simulations. Eventually, one of a kind ductile fracture model of porous single crystals is proposed – including both void growth and void coalescence – in order to investigate impact of radiation-induced nano-voids on the mechanical behavior of irradiated austenitic stainless steels. The model is set up in a strain gradient framework in order to regularize ductile fracture.

Titre anglais : strain localization and ductile fracture in single crystals: application to irradiated austenitic stainless steels
Date de soutenance : lundi 19 octobre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75272, Paris – V106A
Directeurs de thèse : Samuel FOREST, Benoît TANGUY

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Le prix HIRN 2020 est attribué à Andreï Shvarts pour son travail de thèse, "Couplage mécano-fluidique pour le contact et le frottement à petites et à grandes échelles – Coupling mechanical frictional contact with interfacial fluid flow at small and large scales”.
Il s’agit d’une thèse de l’Université PSL, réalisée à MINES Paris Tech, sous la direction de Vladislav Yastrebov et Georges Cailletaud, en collaboration avec Julien Vignollet, de Safran Tech.

• Le prix HIRN (en l'honneur de l'industriel, physicien, mathématicien et astronome, Gustave-Adolphe Hirn) est attribué chaque année par le Groupe scientifique et technique (GST) Tribologie de l’AFM (Association française de mécanique) pour le meilleur travail de thèse en tribologie qui s’est terminé l’année précédente. "Nous avons reçu 7 très bonnes candidatures qui ont été analysées par le jury, composé de 15 personnalités de la Tribologie en France. Le choix a été difficile, vu la qualité de tous les dossiers", a précisé l'animateur du GST Tribologie, Philippe Kapsa.

Signalons par ailleurs qu'Andreï Shvarts est également lauréat du prix de thèse CSMA 2019

> En savoir plus sur :

• le travail de thèse d'Andreï Shvarts
• le Centre des matériaux MINES ParisTech
   

MINES ParisTech, établissement-composante de l'Université PSL (Paris Sciences et Lettres), décline ses faits marquants 2019 et ses perspectives 2020 selon quatre grandes thématiques, selon les objectifs fixés par son plan stratégique 2018-2022 :

• Promouvoir l'excellence scientifique
• Accompagner l'ingénieur et le chercheur du futur
• Rayonner au-delà de notre sphère
• Se déployer pour relever les défis de demain

Pour le directeur général, Vincent Laflèche, « Le démarrage de la nouvelle maquette du cycle Ingénieur [est un] marqueur de la statégie de l'École ».

Selon Jacques Aschenbroich, PDG de Valeo, président du CA de MINES ParisTech, co-signataire de l'éditorial : « Plus que jamais, la science et la technologie sont indispensables pour comprendre les mutations que nous vivons ».

Le RA 2019 est à feuilleter ici.

> Télécharger le Rapport d'activité 2019

Etude et développement d'un système de contrôle volumique de la qualité cristalline des aubes de turbines.

Résumé de la thèse en français

Dans l'industrie aéronautique, les aubes de la turbine haute pression sont les pièces les plus critiques des turbopropulseurs. Pour résister aux fortes contraintes thermomécaniques générées par l'environnement de la turbine, les aubes doivent être monocristallines, en superalliage base nickel. L'absence totale de joints de grain, ainsi que l'orientation privilégiée du cristal confèrent aux aubes leur durée de vie maximale en service. L'objectif de cette thèse consiste à développer pour les géométries d'aubes de turbine du futur une nouvelle technique de contrôle non destructif industriel basée sur la diffraction Laue en transmission afin de s'assurer de la qualité cristalline en volume. Pour répondre à la problématique, un montage expérimental mobile a été développé pour réaliser des expériences avec une source de laboratoire. Plusieurs systèmes de rayons X ont ainsi pu être testés au cours de la thèse, notamment un système équipé d'un détecteur à comptage photonique. Le montage comprend : un collimateur à fentes motorisées, deux étages de translation et un bloqueur de faisceau. La motorisation des 7 moteurs qui composent le montage a été pensée pour automatiser la prise d'image et favoriser le balayage des pièces devant le faisceau. En parallèle, un modèle physique de simulation de la diffraction dédié a été entièrement développé. Ce modèle reprend les équations de la diffraction Laue en intégrant le fait que le faisceau incident ait une direction quelconque. Il permet de simuler une figure diffraction à partir de la nature du cristal, de la géométrie de l'échantillon et de la configuration géométrique expérimentale. Un algorithme d'indexation directe a également été développé pour dépouiller les images de diffraction expérimentales. La position des taches de diffraction est utilisée pour déterminer l'orientation de la zone du cristal illuminée. Les campagnes expérimentales ont été menées sur différents types d'échantillons : des cristaux d'éléments pur, des échantillons monocristallins ainsi que des échantillons en superalliage contenant des défauts jusqu'aux aubes de turbine complètes. L'influence des paramètres comme les conditions d'illuminations, l'épaisseur et la géométrie des échantillons ont été étudiés. Les résultats ont montré que la technique développée permettait de réaliser des mesures d'orientations en volume de pièces monocristallines, et d'en faire une cartographie par balayage. L'analyse des figures de diffraction permet de révéler la présence éventuelle de grains désorientés et de mesurer la désorientation au travers de la pièce. Enfin, l'analyse détaillée des tâches individuelles de diffraction permet de reconstruire la microstructure 3D en cas de présence de sous-joint de grains ou encore de montrer la présence de courbure du réseau cristallin. Un algorithme de quantification du tenseur moyen complet de la courbure du réseau est proposé.

Résumé de la thèse en anglais

In the aerospace industry, single crystal nickel-based high pressure turbine blade are the most critical part of the engine. The objective of this study is to develop a new non-destructive testing based on Laue diffraction for the novel geometry of turbine blades. Diffraction is carried out in transmission mode to be able to irradiate the entire volume of the blade. First, an experimental setup has been constructed and tests under laboratory conditions using a conical x-ray source and 2-dimensions detector have been performed. Several x-ray systems have been tried in this work, in particular an hybrid photon counting detector. The setup comprises a 4 motorized slits, 2 translations stages for the sample and a beam-stop : the image acquisition can be carried out using the 7 motors composing the setup in order to automate the acquistion of scans. In the same time, a simulation forward model of the Laue diffraction physics has been developed. This forward model uses the Laue diffraction equations integrating a given incident beam and allows to simulate any diffraction pattern according to the crystal structure, the sample geometry and the setup geometry. An indexing algorithm program has also been developed to index the experimental patterns using the diffraction spot positions. Experiments were carried out on reference crystals, on blade sample pieces or directly on industrial turbine blades. The influence of the diffraction parameters has been studied. The results showed that the Laue transmission diffraction method makes it possible to carry out an orientation mapping for an extended monocrystalline volume. Indeed, Laue diffraction pattern analyse is able to reveal the potential presence of an undesirable grain. Moreover, the detailed analysis of the geometry of the spots can be used to reconstruct the microstructure of the illuminated volume implying the sub-grains boundary or the lattice curvature.

Titre anglais : Development of a non-destructive testing system for the detection of internal crystalline defects of single-crystal turbine blade
Date de soutenance : jeudi 9 juillet 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech 60 boulevard Saint-Michel 75005 Paris – –
Directeur de thèse : Henry PROUDHON

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Nouvelle méthode d'évaluation de la santé d'un composite fondée sur l'interaction des modes de flexion et de torsion.

Résumé de la thèse en français

Au regard de l'intérêt porté aux matériaux composites (performance mécanique et réduction de masse), il est un domaine dans lequel leur utilisation est encore peu développée, notamment dans l'industrie du transport: les éléments de liaisons au sol (trains avant et arrière, éléments de suspension et de direction, …). Afin de garantir la sûreté de fonctionnement de ces pièces de sécurité, il est indispensable d'être en mesure de bien les dimensionner dès la phase de conception, de valider correctement les organes prototypes et surtout, de savoir diagnostiquer, tout au long de leur durée de vie, leur état de santé. De nos jours, bon nombre de méthodes sont utilisées, mais les moyens de mesure qu'elles nécessitent sont bien souvent onéreux, avec des durées d'acquisition et de post-traitement conséquentes, et pour lesquelles il est bien souvent nécessaire d'immobiliser le moyen de transport voire d'extraire la structure de son environnement mécanique. C'est donc pour pallier ces difficultés, que nous souhaitons développer une méthode de mesure non intrusive qui permette de rendre compte des dégradations qui apparaissent, de l'échelle mésoscopique jusqu'à l'échelle de la structure (fissuration intralaminaire, délaminage, …), sans qu'il ne soit nécessaire de démonter la structure. En nous appuyant sur le principe de l'analyse modale expérimentale (voire opérationnelle), nous cherchons à établir un lien fort entre l'évolution de certains paramètres modaux d'une éprouvette et la nature des dégradations qui apparaissent au cours d'essais de traction monotone. L'idée consiste à introduire une dégradation spécifique, en la faisant apparaître de manière naturelle, puis à suivre l'interaction de sa propagation sur le comportement modal de l'éprouvette en l'interrogeant à différents paliers de chargement, par l'intermédiaire d'un stimulus. L'excitation vibratoire est assurée par l'intermédiaire d'un actuateur piézoélectrique, la réponse du système est mesurée par un vibromètre laser 3D monopoint, et l'identification des dégradations s'effectue le long de la tranche de l'éprouvette par l'intermédiaire d'un microscope optique motorisé. Nous proposons ainsi d'élaborer un critère vibratoire qui s'appuie sur la combinaison de 2 modes spécifiques que sont la flexion et la torsion. Ce critère de santé vibratoire expérimental est ensuite confronté à son homologue numérique afin de valider sa pertinence.

Résumé de la thèse en anglais

Despite high interest in composite materials (mechanical performance and mass reduction), their application in the automotive transport industry is still limited: suspension, wheels, steering connection elements. In order to ensure the reliability of these safety-critical parts (regardless of the application industry), it is essential to dimension them properly in the design phase to validate the prototypes correctly and, especially, to be able to diagnose their health status throughout their lifetime. Nowadays, multiple methods are available, but measuring equipment they use is often expensive, with long acquisition and post-processing times, and often requiring immobilising the vehicle or extracting parts of its structure. It is therefore desirable to develop a non-intrusive measurement method allowing the assessment of material degradation, from a mesoscopic to a structural scale (cracking, delamination, …), without the need to disassemble the structure. Using the principles of experimental modal analysis, we aim at establishing a clear link between the evolution of certain modal parameters and the damage observed under monotonous tensile tests. The idea consists, in introducing specific degradation, controlled by the orientation of composite plies, and then allowing it in the specimen to appear in a natural way (for instance originating from a porosity) in order to characterise the modal basis for several stages of loading and degradations. In order to do this, the vibratory excitation is applied via a piezoelectric actuator, the response of the system is measured by a 3D vibrometer laser and the damage identification is carried out along a section of the specimen using a motorised optical microscope. We propose a vibration criterion, using a combination of bending and torsion modes. This experimental vibration health criterion is then compared to its digital counterpart in order to validate its relevance.

Titre anglais : New method of composite health evaluation based on the interaction of bending and torsional modes.
Date de soutenance : lundi 29 juin 2020 à 10h00
Adresse de soutenance : Centre des Matériaux 63-65 Rue Henri-Auguste Desbruères – BP 87- 91003 Evry – Semi-Présentiel & Visioconférence
Directeur de thèse : Jacques RENARD

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Modélisation du durcissement par précipitation dans un alliage d'aluminium de fonderie A356+0.5Cu

Résumé de la thèse en français

Les alliages d'aluminium du type A356+0.5Cu sont fortement utilisés en fonderie pour l'application culasses automobile en raison de leurs bonnes propriétés thermiques et mécaniques. La limite d'élasticité de ces alliages est étroitement reliée à la microstructure de précipitation dont la formation et l'évolution sont contrôlées par la diffusion. Dans ce travail, la cinétique de précipitation de la phase durcissante ?”-Mg2Si et la limite d'élasticité associée ont été modélisées. La précipitation a été modélisée en se basant sur la théorie classique de la germination et la croissance contrôlée par la diffusion. L'approche numérique KWN de discrétisation en classes de tailles a été employée afin de suivre l'évolution des distributions de tailles en réponse à un historique thermique. La limite d'élasticité a été modélisée en additionnant les contributions des précipités et le durcissement par solution solide de façon directement informée par le modèle de précipitation. La contribution des précipités a été modélisée en prenant en compte leur morphologie en bâtonnets et leur orientation dans la matrice. Des échantillons ont été coulés et ont été assujettis à un traitement thermique de mise en solution, trempe et vieillissement pour des durées variables. Le modèle a ensuite été confronté à deux niveaux aux résultats d'expériences conduites sur ces échantillons. D'une part, les distributions de tailles simulées ont été comparées aux mesures effectuées grâce à des observations par microscopie électronique en transmission. D'autre part, la limite d'élasticité simulée a été comparée aux résultats d'essais de traction. Finalement, une chaîne de calculs éléments-finis intégrant ces modèles a été mise au point dans le code de calcul Z-Set. Des simulations de traitement thermique de trempe et vieillissement ont été effectuées permettant la représentation des gradients de propriété ainsi que l'estimation et la localisation des contraintes résiduelles.

Résumé de la thèse en anglais

Aluminum alloys of type A356+0.5Cu are widely used in casting cylinder heads for automotive applications due to their good thermal and mechanical properties. The yield stress in these alloys is closely related to precipitation microstructure, the formation and evolution of which are diffusion controlled. In this work, the precipitation kinetics of the ?”-Mg2Si hardening phase and the associated evolution of yield stress are modelled. Precipitation is modelled based on classical nucleation theory equations and diffusion controlled growth. The KWN size class discretization approach was used to track the evolution of size distributions of precipitates in response to a given thermal history. Yield stress was modelled by adding up the contributions of precipitates and solid solution strengthening in a manner directly informed by the precipitation model. The contribution of precipitates was modelled taking into account their rod morphology and their orientation in the matrix. Samples were cast and were subject to a solutionizing, quenching and aging heat treatment for various durations. The model was then confronted, on two levels, to the results of experiments conducted on these samples. On the one hand, simulated size distributions were compared to measurements performed on precipitates observed using electron transmission microscopy. On the other hand, the simulated yield stress was compared to the results of tensile tests. Finally, a finite-elements computation chain integrating these models was developed in the Z-Set framework. It was then used to simulate quenching and aging heat treatment making possible tracking of property gradients as well as estimating and localizing residual stresses.

Titre anglais : Modelling precipitation hardening in an A356+0.5Cu cast aluminum alloy
Date de soutenance : vendredi 19 juin 2020 à 15h00
Adresse de soutenance : 63-65 rue Henri-Auguste Desbruères BP 87 EVRY – Centre des Matériaux + VISIOCONFERENCE
Directeurs de thèse : Georges CAILLETAUD, Warren POOLE J.

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Réduction d'un modèle 0D instationnaire et non-linéaire de thermique habitacle pour l'optimisation énergétique des véhicules automobiles

Résumé de la thèse en français

L'utilisation de la climatisation automobile engendre physiquement une surconsommation de carburant. Pour diminuer cette surconsommation, il existe deux leviers principaux. Le premier consiste à travailler en amont sur la définition technique de l'habitacle et du système de climatisation. Le second levier consiste à optimiser les stratégies de contrôle. Dans les deux cas, il s'avère incontournable de construire des modèles de thermique habitacle précis et rapides à évaluer. Ce qui fait l'objet de cette thèse CIFRE du Groupe Renault. Dans un premier temps, une méthodologie de réduction de modèles est exploitée pour passer d'un modèle éléments finis 3D à un modèle 0D. Ce modèle 0D est basé sur des bilans de masse et d'énergie sur les différentes parois et zones d'air de la cabine. Il prend la forme d'un système d'équations algébro-différentielles non-linéaire qui peut être transcrit en Bond Graph. De plus, le modèle 0D exploite un couplage faible entre la thermique et la mécanique des fluides issue des calculs CFD (aéraulique et aérodynamique externe). Dans un deuxième temps, on applique une méthode d'apprentissage automatique aux données générées par le modèle 0D en vue de construire un modèle 0D réduit. Un plan d'expériences est considéré à cette étape. Du fait de la non-linéarité des échanges thermiques, nous avons développé une approche qui s'inspire des méthodes Gappy POD et EIM. La base réduite utilisée est une base multiphysique qui tient compte de plusieurs contributions (températures, enthalpies, flux thermiques et humidités). Le modèle réduit obtenu est un modèle hybride qui couple quelques équations physiques d'origine à un réseau de neurones artificiel. La méthodologie de réduction a été déployée sur des véhicules Renault. Les modèles réduits ont été intégrés dans la plateforme GREEN de synthèse énergétique qui modélise différentes thermiques (moteur, transmission, circuit de refroidissement, batterie, HVAC, boucle froide, sous-capot) en vue de faire des études de gestion thermique qui revêtent une importance particulière pour les véhicules électriques et hybrides. Les modèles réduits ont été validés sur plusieurs scénarios (boucle de régulation pour le confort thermique, cycle d'homologation, couplage HVAC) et ont permis d'obtenir des gains CPU allant jusqu'à 99% avec des erreurs moyennes de 0,5°C sur les températures et 0,6% sur les humidités relatives.

Résumé de la thèse en anglais

The use of automotive air conditioning leads to a fuel overconsumption. To reduce this overconsumption, we can either work upstream on the technical definitions of the cabin and the HVAC system or optimize control strategies. In both cases, it is essential to build a cabin thermal model that well balances accuracy and complexity. This is the topic of this PhD thesis driven by Renault Group. First, a model reduction methodology is used to build a 0D model starting from a 3D finite element cabin thermal model. This 0D model is based on mass and energy balances on the different cabin walls and air zones. It consists of a nonlinear differential algebraic equations system which can be reinterpreted as a Bond Graph. In addition, the 0D model is based on a weak coupling between the thermal equations and the fluid mechanics ones resulting from CFD calculations (internal airflow and external aerodynamics). Secondly, we apply a machine learning method to the data generated by the 0D model in order to build a reduced 0D model. A design of experiment is considered at this stage. Due to the nonlinearity of the heat exchanges, we have developed an approach which is inspired by the Gappy POD and EIM methods. We use a multiphysics reduced basis that takes several contributions into account (temperatures, enthalpies, heat fluxes and humidities). The resulting reduced model is a hybrid model that couples some of the original physical equations to an artificial neural network. The reduction methodology has been validated on Renault vehicles. The reduced order models have been integrated into a vehicle system-level energetic simulation platform (GREEN) which models different thermics (engine, transmission, cooling system, battery, HVAC, refrigerant circuit, underhood) in order to perform thermal management studies which are of particular importance for electric and hybrid vehicles. The reduced order models have been validated on several scenarios (temperature control for thermal comfort, driving cycles, HVAC coupling) and have achieved CPU gains of up to 99% with average errors of 0.5 °C on temperatures and 0.6% on relative humidities.

Titre anglais : Reduction of an unsteady and nonlinear cabin thermal model for automotive energy optimization
Date de soutenance : jeudi 11 juin 2020 à 14h30
Adresse de soutenance : MINES ParisTech 60 boulevard Saint-Michel 75272 Paris cedex 06 – L118
Directeur de thèse : David RYCKELYNCK

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