Optimisation des propriétés mécaniques des conducteurs nanofilamentaires Cu/X (X=Nb ou Ta) par l’étude des mécanismes élémentaires de déformation

par Vanessa Vidal

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Florence Lecouturier, Ludovic Thilly et de Geert Rikken.

Soutenue en 2006

à Toulouse, INSA .

mots clés

• Champs magnétiques pulsés
• Conducteurs nanocomposites renforcés
• Déformation in-situ
• Matériaux nanostructurés
• Plasticité
• Champs magnétiques intenses

Résumé

Ce travail de recherche est consacré à l’étude des matériaux, combinant une tenue mécanique et une conductivité électrique élevées, dont l’objectif est le développement de bobines résistives de champs magnétiques pulsés intenses. Les conducteurs renforcés nanocomposites continus Cu/X (X=Nb ou Ta), sont élaborés via un procédé de déformation plastique sévère (extrusion et étirage répétés) qui conduit à un système multi-échelle nanostructuré. L’utilisation de plusieurs techniques (MET, diffraction des RX, nanoindentation, essais de traction) a permis de réaliser une caractérisation fine de la microstructure et des propriétés mécaniques à différentes échelles (micro/macro) des systèmes Cu/Ta et co-cylindrique Cu/Nb/Cu. Ces derniers correspondent à deux voies d’optimisation du système Cu/Nb déjà étudié, à savoir l’optimisation du matériau de renfort ou de sa géométrie. La complémentarité de ces différentes techniques couplées à des essais de traction in-situ sous neutrons, a permis d’identifier les effets de la nanostructuration (effets de taille), avec l’apparition de régimes élasto-plastiques spécifiques dans les différentes phases des nanocomposites: effet whiskers dans les filaments de renfort, mécanisme d’Orowan dans la matrice de cuivre. Parallèlement, une optimisation des paramètres d’étirage a permis de retarder l’apparition de ruptures en chevrons et d’obtenir de grandes longueurs de fils nanocomposites. Finalement, les traitements thermo-mécaniques successifs conduisent au développement d’importantes hétérogénéités de co-déformation et de contraintes internes complexes pouvant modifier les conditions d’écoulement des nanocomposites aux dernières étapes d’élaboration

Titre traduit

Optimization of the mechanical properties of Cu/X (X= Nb or Ta) nanofilamentary conductors by the study of elementary mechanisms of deformation

Résumé

This thesis is dedicated to the study of materials, combining high strength and high conductivity, as part of the development of resistive coils producing high magnetic field. Reinforced continuous nanocomposites Cu/X (X=Nb or Ta) conductors are elaborated via a severe plastic deformation process (repeated extrusion and drawing), leading to a nanostructured multi-scale system. The use of a variety of techniques (TEM, X-ray diffraction, nanoindentation, tensile tests) allowed to characterize, at different scales (micro/macro), the microstructure and the mechanical properties of the Cu/Ta and the Cu/Nb/Cu co-cylindrical systems that correspond, respectively, to a material and a geometrical optimization of the Cu/Nb system already studied. The complementarities of these different techniques, associated with in-situ tensile tests under neutrons, evidenced nanostructuration effects (size effect), with the occurrence of specific elasto-plastic regimes in each phase of the nanocomposites : whiskers-like behaviour of the reinforcing fibers, Orowan mechanism inside the copper matrix. Concurrently, the optimization of the drawing parameters allowed to delay the occurrence of cup and cone fractures to obtain long defect-free length of nanocomposites wires. Finally, it appears that the successive thermo-mechanical treatments lead to the development of important co-deformation heterogeneities and complex internal stresses that may modify the flow conditions of the nanocomposites during the final elaboration steps