Applications à l’étude du comportement de différents systèmes

Nos savoir-faire ont été appliqués à l’étude de la Fatigue des matériaux, au développement de Systèmes bio-médicaux et à l’étude de Matériaux/Structures complexes

Fatigue

Extension des techniques d’analyse thermographique à la fatigue ultrasonique (André Chrysochoos)

ANR DISFAT, PhD A. Blanche

Les techniques infrarouges ont été étendues aux essais cycliques VHCF (f_L=20 kHz). Si les fréquences d’acquisition des caméras actuelles rendent impossibles la détection des sources de couplage, les effets dissipatifs moyens par cycle sont eux parfaitement accessible, même sur des matériaux très conducteurs (cuivre pur) pour des faibles chargement (30 MPa). Les essais ont montré : des effets dissipatifs quel que soit le niveau de contrainte (pas de limite de fatigue visible), des matériaux pour lesquels la dissipation est indépendante de la vitesse, une bonne corrélation entre les zones de fortes dissipation et celles à haute concentration de bandes de glissement.

Tenue en fatigue du PA6.6 renforcé de fibres de verre (André Chrysochoos)

Fatigue oligocyclique du PA66 renforcé de fibres de verres à diverses humidités : FUI Durafip, PhD A. Benaarbia

Etude du comportement thermomécanique du polyamide 6.6 vierge et chargé à 30% en masse de fibres de verre courtes. Le travail comprend des aspects expérimentaux : réalisation de bilan d’énergie lors de chargement cycliques en combinant des techniques d’imagerie (corrélation d’images numériques (CIN) et thermographie infrarouge (TIR). Ces données énergétiques permettent de caractériser les mécanismes de dissipation et de couplage et facilite donc la mise en équation du comportement.

Ce travail s’insère dans un programme plus vaste, animé par le groupe Solvay Engineering Plastics, qui cherche à mieux connaître et maîtriser le comportement en fatigue de ces matériaux composites à matrice thermoplastique semi-cristalline. L’objectif visé à terme est pour les groupes industriels rattachés au projet de pouvoir proposer sur le marché de l’automobile et du transport en général des pièces de structure devant travailler cycliquement dans des ambiances hygrothermiques diverses.

Systèmes bio-médicaux

Modélisation, Conception, Prototypage et Caractérisation d’endoprothèses (Hervé Louche)

Nous avons actuellement deux projets exploitant les propriétés superélastiques des alliages à mémoire de forme NiTi :

Endoprothèses aortiques adaptées au traitement de la dissection aortique de type A, thèse de T. Gandet, collaboration avec Franck Jourdan de l’équipe BIOTIC, et le Département de Chirurgie Thoracique et Vasculaire du CHU Arnaud de Villeneuve de Montpellier (Pr. Ludovic Canaud),

Développement d’un nouveau stent cérébral, collaboration avec Franck Jourdan de l’équipe BIOTIC et le Service de Neuroradiologie du CHU Gui de Chauliac de Montpellier, projet DIVINS SATT AxLR.

Imagerie thermique pour la médecine (Hervé Louche, Laurent Waltz,Bertrand Wattrisse)

Deux projets ont été menés sur ce thème :

1) Analyse thermomécanique du système vasculaire de surface – application au pied diabétique

Thèse de V. Serantoni, collaboration Franck Jourdan avec l’équipe BIOTIC et l’équipe Nutrition et Diabète du CHU Lapeyronie de Montpellier (Pr Ariane Sultan), [Serantoni et al 2020, Serantoni et al 2018]

(Left) Imagerie Thermique et Pied Diabétique / Thermal Imaging and Diabetic Foot, d’après **Serantoni et al 2020**. (Right) Field of indicators –> extraction of indicators able to study the stages of diabetic complication through the perturbation of thermoregulation

2) Développement d’outils d’orientation du geste thérapeutique et de suivi du traitement à destination des kinésithérapeutes – Projet SATT AxLR « ThermoKine-IRISENSE » (Laurent Waltz)

Le projet « IRISENSE » s’articule autour du développement de dispositifs médicaux d’aide au diagnostic en exploitant les techniques d’imagerie, telles que la Thermographie Infrarouge (TIR) et la Corrélation d’Image Numérique (CIN), etc. Le projet est porté par Li Li (ancien doctorant de l’équipe ThM2) et par Laurent Waltz.

Le premier produit issu de ce projet est basé sur les principes de la TIR. Il s’agit d’un dispositif d’aide au diagnostic et d’orientation du geste thérapeutique destiné à la kinésithérapie (IRISTATIC 2D). Les évolutions envisagées de ce dispositif permettront également de cibler à terme les centres de rééducation spécialisée ainsi que la médecine générale.

Justification des recherches menées sur le dispositif

L’application de la thermographie infrarouge en médecine n’est pas nouvelle, mais la faible résolution des caméras de l’époque n’a pas permis à la technique de percer dans ce domaine. Cette technique revient aujourd’hui sur le devant de la scène avec l’avènement de nouvelles générations de caméras thermiques.

La volonté d’IRISENSE est de démocratiser la thermographie infrarouge qui sera demain un outil incontournable pour la prévention et le diagnostic dans le domaine médical. Cette technique présente de nombreux avantages pour les applications visées, parmi lesquels nous pouvons citer la rapidité d’exécution et la particularité d’être non-invasive, non-ionisante et sans contact.

Indications préventives, thérapeutiques ou diagnostiques attendues

Le dispositif IRISTATIC 2D est destiné dans un premier temps aux cabinets de kinésithérapie pour l’aide au diagnostic et le suivi du traitement dans le cas de pathologies entrainant des troubles musculo-squelettiques.

Bien entendu, l’utilisation du dispositif peut être étendu à toute pathologie dès lors que cette dernière soit accompagnée d’un échauffement local du derme et de l’épiderme. Nous pouvons citer, par exemple :

Traumatologie du sport : précision de localisation du locus douloureux
Polyarthrite rhumatoïde : comptage des lésions inflammatoires au niveau des mains
Syndrome du défilé thoraco brachial : variation de température lors des manœuvres dynamiques vs membre controlatéral.

Mesures thermiques par TIR et chaîne de traitement

Matériaux à microstructure complexe (Laurent Waltz)

Cette partie s’intéresse à l’étude des matériaux à microstructure complexe et plus particulièrement à l’étude des structures multicouches nanocristallisées obtenues par procédé duplex combinant le traitement de nanocristallisation superficiel (SMAT) et le co-laminage. Les impuretés et défauts intrinsèques au procédé d’élaboration peuvent considérablement altérer la micro-structure, et par conséquent le comportement mécanique global du matériau. Il est donc important d’affiner la compréhension des hétérogénéités de déformation plastique induites lors du procédé thermomécanique et de quantifier l’effet des défauts et impuretés résiduels pour pouvoir évaluer le comportement mécanique de telles structures.

Caractérisation de la qualité des interfaces de structures en acier inoxydable 316L nanocristallisées et co-laminées à 550°C et 650°C ; Résultats des essais de flexion 3 points.

Caractérisation expérimentale de fils de NiTi (Hervé Louche)

Thèse de doctorat de Henrique Martinni Ramos de Oliveira, « Etude des couplages thermomécaniques dans des fils super-élastiques nanostructurés nickel-titane », co-encadrement (50%) avec D. Favier (Labo TIMC, Univ. Grenoble Alpes), soutenue le 5 Oct. 2018 à l’Univ. Grenoble Alpes [Martinni et al 2018, Martinni et al 2016].

Le travail de thèse d’Henrique Martinni a porté sur l’étude expérimentale du comportement thermomécanique superélastique d’un fil nanocristallin Ti-50.9Ni at.% Ni (diamètre 0.5 mm) en Alliage à Mémoire de Forme (AMF), ayant subi un étirage à froid (Cold Work : CW). Les AMF sont capables d’induire des changements de température importants lorsqu’ils sont chargés mécaniquement. Ce phénomène est dû à un important couplage thermomécanique présent dans cette transformation de phase solide entre les phases Austénite (A) et Martensite (M). La chaleur latente par unité de masse (ΔH) tout au long de la transformation de phase est la principale énergie responsable de cette variation de température. La détermination de ΔH est généralement effectuée par calorimétrie à balayage différentiel (DSC). Cependant, pour les AMF nanocristallins, les résultats DSC obtenus ne sont pas concluants sur la détermination de cette propriété. Dans ce travail, une méthode utilisant la corrélation d’image numérique (DIC) et les mesures de champ thermique (TFM) a été utilisée pour analyser les couplages thermomécaniques lors d’une transformation de phase induite par contrainte. Des champs cinématiques et thermiques ont été acquis lors d’essais de traction superélastiques réalisés sur des fils CW NiTi soumis à différentes Températures de Traitements Thermiques (TTT) allant de 523 à 598 K pendant 30 min. Un tel traitement thermique à basse température favorise une boucle totalement superélastique sans plateau de contrainte et sans déformation localisée. En supposant un modèle thermique uniforme, les sources de chaleur impliquées lors du chargement cyclique ont été estimées. Cette puissance thermique par unité de masse a été comparée à la puissance mécanique et intégrée au fil du temps pour obtenir l’équilibre énergétique. De plus, grâce à une analyse thermodynamique basée sur l’énergie libre de Gibbs, les valeurs de ΔH, ainsi que la fraction de martensite, ont été estimées au cours des transformations de phase A-M directe et inverse M-A. L’analyse des résultats a conduit aux conclusions suivantes:

Les puissances et énergies thermiques et mécaniques présentaient une dépendance significative vis-à-vis des TTT.
Malgré l’effet important des valeurs de TTT sur les réponses mécaniques et thermiques, les ΔH obtenues étaient très proches pour toutes les TTT et dans la même gamme de valeurs que celle donnée dans la littérature pour un alliage Ti-50.9Ni at.% Ni entièrement recuit testé par technique DSC.
Pour une déformation donnée, la fraction de martensite augmente avec l’augmentation de TTT.
Pour une déformation imposée de 4,5%, la fraction de martensite augmente de 30% à 40% en augmentant le TTT de 523K à 598K.

Experimental set-up showing the NiTi wire in the center with extracted thermal and visible images

Superelastic tensile behavior of the Ti50.9at% Ni wire CW and submitted to different heat treatments

Comportement à haute température de l’olivine (André Chrysochoos)

[Holtzman 2018]

C’est un travail de longue haleine (de plus de 7ans) qui a été mené en collaboration avec B. Holtzman, du Lamont Doherty Earth Observatory (LDEO) de l’université de Columbia (NY USA) et L. Daridon de l’équipe M3. L’objectif a été de reprendre un grand nombre de résultats phénoménologiques de la littérature portant sur le comportement mécanique de l’olivine (roche magmatique de référence) déformée à haute température, pour les intégrer de façon cohérente et unifiée dans un modèle comportemental de type matériau standard généralisé (MSG). Des confrontations avec les résultats d’expérience ont montré le caractère particulièrement prometteur de l’approche, notamment pour introduire les couplages forts entre mécanismes de déformation (densité de dislocations/taille des grains/effets thermiques). La plus grande difficulté, dans ce travail, a été d’initier (et de convaincre !) la communauté des rhéologues des roches géologiques à (de) la cohérence et à (de) l’intérêt du cadre MSG pour reformuler les lois de comportement complexes.

Schematic of the model.(a) Two states in T − ? − ? − ?_d − gspace, connected by a path with irreversible dissipation. The ? is the total strain, but ?v (not shown) is also needed to describe the state. (b) In the 0-D thermodynamic system of interest here, deformation (work) is applied to a representative elementary volume (orange circle), which is open to heat but not mass. (c) Inside the representative elementary volume, energy can be stored or dissipated. (d) The mechanical model consists of a Maxwell body with three nonlinear creep mechanisms and two microstructural state variables, dislocation density, and grain size. Lines indicate couplings; grey: diffusion creep and grain boundary sliding depend nonlinearly on grain size; orange: dislocation and grain boundary sliding creep both involve dislocation production and motion. Some of those dislocations go into changing the grain size (red line). Any changes in mean dislocation density and grain size involve dissipated energy (purple dots) and a change in the stored energy (blue tanks).

Loi d’interface ciment/granulat en présence de lixiviation (Vincent Huon)

Le béton est composé par le squelette granulaire, la matrice cimentaire et l’interphase. L’interphase est soupçonnée d’être la plus vulnérable de point de vue chimique et mécanique. L’objectif de l’étude est de mettre en place un protocole expérimental qui permet de quantifier l’effet mécanique de la lixiviation sur la pâte de ciment et l’interphase pâte de ciment/granulat en terme de force à la rupture et rigidité. Afin d’y parvenir des essais de traction et cisaillement sont réalisés à l’échelle locale sur des échantillons prismatiques et en forme de « y renversé » en pâte de ciment et bi-composants pâte de ciment / granulat calcaires. Les essais mécaniques à l’échelle locale sont complétés avec des observations au niveau de la microstructure par microscopie électronique par balayage et micro indentation qui visent à déterminer la position du front de lixiviation et l’évolution de la rigidité dans la zone dégradée.

Animation/conception, support à la réalisation d’études transverses (Vincent Huon)

La responsabilité du SERvice EXpérimentation est assurée successivement par 2 membres de l’équipe ThM² depuis 2009 (Bertrand Wattrisse jusqu’en 2014 puis Vincent HUON). Cette responsabilité demande des implications fortes en terme d’animation, de management et de gestion du service pour assurer son bon fonctionnement sur les points suivants :

planification de l’activité du service : priorisation des demandes, suivi des projets, en assurant la continuité de service (gestion des congés)
ressources humaines : suivi/accompagnement des carrières des agents CNRS et UM (entretiens annuels, suivi de carrière)
gestion du parc matériel avec par exemple : l’acquisition d’un centre d’usinage grande vitesse en 2014 (Recherche de fournisseur, montage financier, rédaction du cahier des charges, appel d’offre ), appel d’offre pour l’acquisition d’une machine d’essais de traction compression en 2019 (Recherche de fournisseur, montage financier, rédaction du cahier des charges, appel d’offre ), maintenance des caméras infrarouges, …
gestion du budget : recettes/dépenses
mise ne place de plateforme CIME (pour les aspects recettes)

Par ailleurs en terme d’animation/conception support à la réalisation d’études transverses, cela demande d’être à l’écoute de l’ensemble des collègues enseignants/chercheurs et chercheurs qui couvrent un spectre d’activité très large. On peut citer par exemple, avec une implication directe :

l’étude du comportement hygro-mécanique de roches (un article en 2016);
l’encadrement de stagiaires pour : la conception d’actionneur mécanique sous IRM (BIOTIC 2017), la conception d’un banc de sollicitation de micro-pellet de cartilage (BIOTIC, 2017), la mise en place de bench-mark expérimentaux pour valider des codes de calcul pour les structures maçonnées (REMICS 2018);
la caractérisation mécanique de membrane pour la filtration de l’air (Institut Européen des Membranes, article 2019).
la mise en place pour l’année 2020 d’une collaboration avec l’Agence Nationale de Sécurité du Médicament et des Produits de Santé sur le contrôle des dispositifs de santé.