Projet ANR-14-CE07-0034 – COMINSIDE : compréhension, observation, modélisation et simulation des mécanismes d'endommagement ductile
Programme : Produits (conception, procédés et matériaux) (DS0303) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Pierre-Olivier BOUCHARD (ARMINES Centre de Mise en Forme des Matériaux)
Partenaires : Divers privé; Centre des Matériaux; Laboratoire public
Montant : 434405.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Au cours de leur mise en forme ou de leur utilisation en service, les pièces industrielles sont soumises à des chargements mécaniques multiaxiaux et non proportionnels pour lesquels les modèles d’endommagement classiques ne permettent pas d’apporter une réponse fiable et suffisamment universelle (mécanismes de rupture notamment différents en cisaillement ou en traction).
L’objectif du projet COMINSIDE est d’étudier l’interaction entre les mécanismes de déformation plastique et d’endommagement à l’échelle de la microstructure au cours de la rupture ductile d’alliages métalliques pour différents trajets de chargement (taux de triaxialité des contraintes et angle de Lode), et de comprendre les mécanismes physiques sous-jacents. Les observations et mesures expérimentales seront accompagnées de modélisations numériques par éléments finis dont l’objectif est de reproduire ces mécanismes d’endommagement aux échelles microscopique et macroscopique. Pour atteindre cet objectif, trois techniques innovantes et très complémentaires seront développées et exploitées conjointement dans le cadre du projet :
-	Des essais in situ en laminographie au synchrotron, permettant d’observer en 3D les micromécanismes d’endommagement (à partir du cisaillement pur jusqu’aux triaxialités des contraintes plus élevées) seront réalisés. Contrairement à la tomographie, la laminographie est particulièrement bien adaptée pour étudier les mécanismes d’endommagement dans le volume de pièces naturellement fines dans une direction, et allongées dans les deux autres. De grandes éprouvettes plates avec des géométries très proches des éprouvettes standard peuvent être étudiées en 3D in situ sans précédent. Celles-ci génèrent des conditions limites proches de structures sollicitées au cours de la fabrication ou en service. Cela rend cette technique particulièrement intéressante, notamment lors de l’apparition de la striction localisée pour des produits minces.
-	Les champs de déplacement (et de déformation) seront mesurés dans le volume grâce au contraste naturel des microstructures étudiées à l’aide de techniques de corrélation d’images volumiques. Des approches globales permettant un chaînage direct avec les simulations numériques seront utilisées et développées pour rendre compte de phénomènes localisés. La détection et la quantification de l’endommagement seront basées sur les résidus de corrélation.
-	Les microstructures observées seront maillées, grâce à des approches level-set couplées à des techniques d’adaptation de maillage anisotrope. Des calculs éléments finis 3D seront menés en se servant des conditions aux limites mesurées par corrélation d’images volumiques. Les mécanismes de germination (par décohésion ou fragmentation d’inclusions), de croissance et de coalescence seront modélisés et comparés aux observations expérimentales. La modélisation 3D de ces mécanismes pour de grandes déformations plastiques et des trajets de chargement variables constitue une avancée majeure en mécanique de l’endommagement et de la rupture des matériaux ductiles.
Deux matériaux seront étudiés dans le projet. D’une part une fonte qui possède de grosses inclusions (nodules de graphite) qui pourront être observées et suivies de manière précise au cours de la déformation et de la rupture et permettra ainsi de valider la méthodologie. D’autre part un alliage d’aluminium récemment développé dans l’industrie aéronautique, dont les inclusions sont plus petites et moins nombreuses et qui permettra d’étudier la transférabilité de la méthodologie à un matériau industriel de pointe.
La combinaison d’une nouvelle technique d’observation non-destructive très prometteuse (laminographie), de techniques avancées d’analyse et de corrélation d’images volumiques, et de modélisations numériques 2D/3D des mécanismes d’endommagement ductile sont des atouts majeurs pour mieux comprendre et modéliser la rupture ductile et son interaction avec la plasticité pour des trajets de chargement variés.