Modélisation multi-échelles

L'équipe METAL utilise et développe plusieurs types de simulations et modèles numériques afin d'étudier l'évolution microstructurale, la déformation et l'endommagement des matériaux au travers d'une approche multi-échelles. Les calculs atomistiques (MD, NEB) et le Monte-Carlo Cinétique sont utilisés pour étudier la déformation plastique aux échelles fines dans les métaux, les oxydes ainsi que dans certains matériaux amorphes (verres de silice, polymères). La plasticité est aussi explorée en dynamique des dislocations (DD) et en plasticité cristalline souvent couplée aux éléments-finis afin de réaliser des simulations polycristallines. A l'échelle macroscopique, deux approches reposant conjointement sur la modélisation multi-échelles de la précipitation et sur l'intégration de données expérimentales 2D et 3D sont utilisées afin simuler les propriétés mécaniques des métaux de façon toujours plus réaliste.

DISLOCATIONS ET NANOMECANIQUE

contact: Jonathan Amodeo, Michel Perez

La déformation des solides cristallins est le fruit de processus complexe controlés par les dislocations. Etant donnée la taille des ces défauts, la dynamique moléculaire (MD) s'est progressivement imposée comme l'un des outils de référence pour étudier la plasticité aux petites échelles. Dans ce domaine, plusieurs sujets sont étudiés au sein du groupe METAL comme la simulation d'essais de nanocompression et nanoindentation, les dislocations dans les matériaux irradiés et les intermétalliques, la formation d'atomosphère de Cotrell et les interaction fer-carbone ou encore les interactions entre dislocations et interfaces (surfaces, joints de grains, macles). Parmis ces sujets,  les propriétés mécaniques des nano-objets comme les pilliers, les particules ou les fils ont réçu un intérêt tout particulier ces dernières années. Ils montrent souvent une limite d'élasticité largement au-dessus de leur homologue massif ainsi qu'une ductilitée accrue sans fissuration apparente.  Le groupe METAL utilise des simulations de MD et de dynamique des dislocations (DDD) afin d'étudier ces effets de taille dans les métaux, les intermétalliques et les céramiques. Ces simulations permettent une meilleure compréhension des mécanismes de déformation qui opèrent dans les nano-objets et permettent d'interpréter les expériences in situ TEM réalisées au laboratoire MATEIS. 

(a)                                                           

                                                                                         (b)

Fig. 1 (a) Formation d'une atomisphère de Cotrell autours de dislocatiosn dans le fer (Vega et al. J. Phys.: Condens. Matter. 2013). (b) Compression d'un nanocube de Ni3Al. On observe la nucléation de dislocations partielles à la surface de l'échantillon (Amodeo et al. Materials Research Letters 2014).

DYNAMIQUE DES DISLOCATIONS ET PLASTICITE CRISTALLINE

contact: Jonathan Amodeo, Sylvain Dancette

Le groupe METAL étudie la déformation plastique des matériaux à l'aide de simulations par Dynamique des Dislocations (DD) et développe des modèles de plasticité cristalline. La DD permet d'investiguer le comportement collectifs des dislocations à l'échelle du grain et d'étudier, par exemple, les interactions entre dislocations, la formation de microstructures caractéristiques, ou encore de calculer des coefficients d'écrouissage, paramètres clés des simulations à plus grande échelle. Cette thématique est développée en collaboration avec Benoit Devincre (LEM, Chatilllon) et son code de DD sur réseau microMegas. L'utilisation de la DD dans le groupe METAL s'intègre dans une démarche de modélisation multi-échelles puisque les calculs intègrent généralement des paramètres calculés à l'échelle atomique (constantes élastiques, loi de mobilité des dislocations, énergie d'activation) et ont pour vocation d'alimenter des modèles macroscopiques. Pour se faire, des simulations de type plasticité cristalline (parfois couplées à des méthodes de type éléments-finis) sont utilisées afin d'atteindre de nouvelles échelles de temps et d'espace, notamment via des quantité de déformation atteinte plus importante et des simulations polycristallines. Cette thématique est développée en collaboration avec Laurent Delannay (UCL, Louvain-La-Neuve).

                                                            (a)                                                             (b)

Fig. 2 (a) Glissement d'une dislocation au travers d'obstacles successifs (en rouge, positions 1 à 8) pendant une avalanche simulée par dynamique des dislocations (Amodeo et al. Mechanics of Materials 2014). (b) Polycristal déformé en plasticité cristalline par éléments finis informée par des simulations à l'échelle atomique (Amodeo et al. International Journal of Plasticity 2016).

PRECIPITATION ET MODELISATION DES MICROSTRUCTURES

contact: Michel Perez

Les traitements thermiques utilisés pour l'élaboration d'alliages métalliques mènent à des microstructures de plus en plus complexes. Un modèle de précipitation en champ moyen reposant sur la théorie classique de la nucléation-croissance, a été développé au sein du groupe METAL: PreciSo. En parallèle, d'autres modèles de transformation de phase ont été développés comme par exemple pour la transformation ferrite vers austénite. Le but de ces modèles est de produire des données relatifs à la microstructure (ex: taille de grain) et /ou des données mécaniques utilisables comme paramètres d'entrée dans des simulations macroscopiques et ainsi de construire de nouvelles lois constitutives. Les collaborateurs pour cette activité sont Dr. Thibaut Chaise, Pr. Daniel Nelias (LaMCoS, Lyon, Lyon) et Pr. Alexis Deschamps (SIMAP, Grenoble).

Fig. 3 Diagramme TTT modélisé et contraintes associées pour un super-alliage 718 (Thèse A. Balan).

SIMULATION A BASE EXPERIMENTALE PAR ELEMENTS-FINIS

contact: Sylvain Dancette, Eric Maire

Le groupe METAL étudie le comportement des métaux et alliages à l'aide de calculs par Eléments Finis (EF) qui reposent sur les techniques d'observation microstructurale en 2D (microscopie optique, à balayage, EBSD, ...) et en 3D (tomographie en contraste d'absorption et/ou de diffraction, FIB-EBSD, …) disponibles au laboratoire MATEIS. Ces simulations portent sur (i) le développement d'outils de manipulation et d'optimisation de maillages microstructuraux expérimentaux 2D ou 3D, (ii) le développement de modèles de plasticité et d'endommagement à différentes échelles (de la plasticité macroscopique à la plasticité cristalline) et (iii) la complémentarité directe entre résultats numériques et résultats expérimentaux.

Fig. 4 Simulation de la déformation d'un empilement de sphères creuses en acier inoxydable (Caty et al. Acta Materialia 2008).

ELASTICITE ET PLASTICITE DES MATERIAUX AMORPHES

contact: Michel Perez, Patrice Chantrenne, Julien Morthomas

Les matériaux amorphes (verres métalliques, d'oxydes ou polymères) sont largement étudiés au sein du groupe METAL. Le sujet principal de ces études est le lien microstructure-propriétés mécaniques. La dynamique moléculaure est alors une techniqu de choix qui permet un contrôle total de l'élaboration d'échantillons virtuels. Dans ce domaine, la dynamique moléculaire est utilisée à but prédictif, afin de tester de nouvelles idées qui pourraient expliquer certaines observations expérimentales. Ce sujet intègre des collaborations au laboratoire MATEIS (Olivier Lame, Laurent Chazeau, Karine Masenelli-Varlot) et au SIMAP, à Grenoble (Christophe Martin).

Fig. 5  Aérogel étudié par dynamique moléculaire (Thèse W. Goncalves).