Département : Mécanique et matériaux

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Appareil de microdureté à chaud Le CEMEF étudie depuis longtemps les essais mécaniques adaptés aux films minces (indentation, rayure, flexion, traction), pour en tirer des caractéristiques intrinsèques des matériaux de revêtement et des données sur leur adhésion à leur substrat. Nous conjuguons caractérisation physique et modélisation numérique (FORGE®) pour mesurer les propriétés mécaniques et l'endommagement de multicouches. Nous avons conçu et réalisé une machine de micro-indentation à chaud, destinée à l'étude des propriétés mécaniques à haute température (1000°C) des oxydes naturels et des traitements ou revêtements de surface. Une caractéristique fondamentale est la ténacité du matériau et de son interface avec son substrat; il faut donc pouvoir observer les fissures éventuelles à chaud, avant qu'elles ne se propagent lors du retour à température ambiante. Nous avons donc doté l'appareil d'une caméra, protégée de sorte à pouvoir faire des mesures dans ces conditions hostiles. Micro-indenteur à chaud: (1) colonne porte-indenteur et capteur de force, (2) isolation thermique, (3, 4) fours indenteurs, échantillon, (5, 6) platine pas-à-pas de translation, de rotation, (7, 8) microscope et son système de protection thermique.

Les civilisations anciennes ont été classées en fonction de la nature des matériaux qu'elles utilisaient ainsi que des techniques
d'élaboration et de façonnage qu'elles maîtrisaient.
La technologie de nos sociétés contemporaines repose plus que jamais sur la capacité d'élaborer, de mettre en forme et de contrôler des matériaux toujours plus variés et sophistiqués.

La science des matériaux évolue à un rythme élevé dans:

• son objet même car de « nouveaux matériaux » apparaissent régulièrement et même les matériaux plus traditionnels subissent des transformations, à la fois en composition chimique, microstructure, si bien que tous les matériaux peuvent être considérés comme nouveaux ;
• les procédés d'élaboration et de mise en forme, toujours plus ingénieux et qui comportent un nombre croissant de dispositifs de régulation permettant un contrôle des processus et une optimisation du produit final ;
• la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement des matériaux, indispensable pour la compréhension et la prédiction des phénomènes physiques à différentes échelles;
• ses méthodes où la simulation numérique intervient pratiquement à tous les stades de la conception, depuis le choix de la molécule jusqu'aux propriétés d'emploi, en passant par les procédés de mise en forme, les lois de comportement et l'analyse des conditions de sollicitation.

La recherche en mécanique et matériaux à MINES ParisTech

Elle est répartie dans trois laboratoires, le Centre des Matériaux à Évry, Le Centre de Mise en forme des Matériaux à Sophia Antipolis et le laboratoire de Mécanique des Solides, commun à MINES ParisTech et à l'École polytechnique.
Elle s'intéresse à une grande variété de matériaux et couvre largement les thèmes allant de l'élaboration aux propriétés d'emploi, en passant par la mise en forme et la caractérisation de leurs propriétés physiques et fonctionnelles ainsi que leur comportement mécanique. L'objectif est à la fois de contribuer à la résolution des problèmes concrets du milieu industriel par une approche mettant en œuvre les connaissances technologiques concrètes et les méthodes scientifiques les plus pointues, et de dispenser une formation complémentaire opérationnelle (thèse ou mastère spécialisé).
La connaissance et l'expérience accumulées au cours des études applicatives sont en général transposables à des domaines voisins et permettent ainsi de s'adapter aux changements technico-économiques.

Une réputation internationale

Les laboratoires de MINES ParisTech ont acquis une réputation internationale dans leurs domaines et une place importante dans la communauté française. Ils sont tous les trois associés au CNRS. Ils poursuivent leur mission de formation et de recherche avec l'appui de l'industrie française. Les collaborations sont nombreuses avec des entreprises internationales, grâce notamment aux programmes de recherche de l'Union européenne.

Des thèmes de recherche novateurs

Les équipes de recherche de nos laboratoires ont largement contribué au développement des méthodes d'analyses théoriques en vue de la modélisation :

• en mécanique des milieux continus et en thermique;
• en analyse numérique par éléments finis;
• en calcul des structures et en mécanique des fluides;
• en modélisation analytique et numérique appliquée au calcul de structures et à la simulation des microstructures.

Au plan physique et expérimental les efforts ont surtout porté sur :

• la caractérisation du comportement et des propriétés mécaniques et fonctionnelles des matériaux à travers des essais instrumentés en mécanique, rhéologie et tribologie ;
• les études de procédés de fabrication et d'assemblage ;
• l'observation, la quantification et la modélisation des micro­structures et de leur évolution;
• la science des surfaces et des interfaces.

Une grande diversité de matériaux et de procédés de mise en forme

La structuration en disciplines scientifiques permet de traiter une large gamme de matériaux et d'aborder de nombreux types d'applications intéressant l'industrie:

• métaux et alliages ;
• polymères et mélanges de polymères d'origine fossile ou biosourcés et, plus récemment, biomatériaux;
• composites à matrice métallique ou organique ;
• céramiques, verres, matériaux de construction et réfractaires ;
• matériaux agro-alimentaires ;
• structures multimatériaux.

Les procédés de mise en forme des matériaux les plus étudiés sont:

• pour les métaux : laminage, forgeage, emboutissage, hydroformage, fonderie, soudage ;
• pour les polymères et certains composites : calandrage, extrusion, injection dans les moules, thermo formage, RIM, RTM, extrusion soufflage.

Des moyens numériques et expérimentaux à la pointe

L'École a amplifié au cours du temps ses moyens d'études, nécessaires à une recherche de qualité. Parmi ceux-ci, notons :

• Rhéométrie - Tribométrie - Propriétés mécaniques
  • rhéomètres, capillaires à précisaillement, rotatifs, élongationnel, rhéo-optique;
  • tribomètre rotatif, machine de fatigue thermomécanique, machine d'usure des aciers à outil, mesure de coefficient de frottement métal-polymère, rugosimètre ;
  • essais mécaniques (traction, traction-compression, torsion biaxiaux) dans de grands domaines de vitesse (jusqu'à 25 m/s), certains adaptés à des mini-nanoéprouvettes; dûreté à froid et à chaud; essais de fatigue fluage, certains sous atmosphère contrôlée (jusqu'à 2300 °C).
• Caractérisation physique
  • microscopes électroniques en transmission, en particulier à «résolution atomique» et à balayage ;
  • techniques d'analyse: Tof Sims, rayons X, infrarouge, microscope de Castaing équipé de 4 spectromètres, diffusion de lumière aux petits angles, analyse enthalpique différentielle;
  • mesures de déformation par corrélation d'images ;
  • visualisation d'écoulement et de déformations : anémométrie laser doppler, biréfringence d'écoulement, caméra rapide, extensomètre vidéométrique, dispositif de corrélation d'images.
• Procédé
  • projection thermique par plasma sous atmosphère controlée;
  • projection dynamique par gaz froid «Cold Spray»;
  • machine de choc laser pour essai d'adhérence, plateforme de fabrication laser et d'étude de fusion sélective de lit de poudre.
• Élaboration et mise en forme
  • métaux : presse d'emboutissage de laboratoire (30T), plateau de coulée, machines d'hydroformage de tubes et de tôles, filage à chaud de tubes et de barres ;
  • polymères : presse à injecter, extrudeuses monovis, bivis, prototype instrumenté de soufflage bi-étirage de bouteilles, machine d'étirage soufflage;
    machine de fabrication de monocristaux (Brigman 1600 C).
• Moyens numériques
  plusieurs clusters de calcul parallèle; des logiciels de référence (Forge 3, Rem3D, Zebulon, Zetmat, CIMLIB, THERCAST...).