Thèse soutenue

Diffraction X in-situ sous sollicitation dynamique : caractérisation cristallographique des transformations polymorphiques de l’étain
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Auteur / Autrice : David Palma de Barros
Direction : Thibaut de RességuierAndré Dragon
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
Date : Soutenance le 17/12/2021
Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
Jury : Président / Présidente : Laurent Berthe
Examinateurs / Examinatrices : Raffaella Torchio, Marcus Knudson, Arnaud Sollier
Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandra Benuzzi-Mounaix, Pascal Forquin

Résumé

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L’objectif de cette thèse était de collecter des données expérimentales dans le but d’améliorer les modèles numériques décrivant le comportement des matériaux subissant un changement de phase sous sollicitation dynamique. Cette étude porte plus particulièrement sur la transformation solide-solide de l’étain entre les phases β et γ.Une étude bibliographique a permis de dresser l’évolution de divers paramètres physiques du matériau, et notamment les transitions de phase, d’abord sous chargement quasi-statique puis sous sollicitation dynamique. Expérimentalement, on observe des écarts significatifs entre les conditions de pression et de température où se produit la transition de phase β-γ en dynamique et la frontière correspondante sur le diagramme de phase. Les moyens de mesure actuellement utilisés sous choc ne sont pas suffisants pour expliquer l’origine de cette différence. La diffraction X est une technique complémentaire qui permet d’analyser l’état cristallin des matériaux ainsi que leur microstructure. Les progrès dans la génération des rayons X ont permis de développer des sources capables de générer un rayonnement suffisamment bref et intense pour pratiquer la diffraction X sous choc. Nos expériences ont été menées sur deux installations : le CEA Gramat avec un générateur X-Pinch et le synchrotron de l’Advanced Photon Source à Chicago. Les chocs ont été générés par impact de plaques sur des lanceurs à gaz. Un système de synchronisation spécifique a permis le couplage de la source X avec le lanceur afin de sonder l’état de choc atteint dans le matériau. En complément de cette technique, une mesure de vitesse par interférométrie a été utilisée pour estimer la pression de choc atteinte et s’assurer de la synchronisation. Afin de permettre à la fois de pré-dimensionner les essais et d’identifier les structures cristallines, un outil de simulation des figures de diffraction a été conçu et développé.Des essais à des pressions de choc supérieures à la transition de phase ont été menés afin d’identifier la nouvelle phase γ. Des essais à des pressions de choc inférieures ont aussi été effectués afin d’étudier l’évolution de la phase β. Des résultats similaires ont été obtenus entre le CEA Gramat et l’Advanced Photon Source. Les figures de diffraction de monocristaux d’orientation (100), (110), (001) et (111) choqués au-dessus du changement de phase montrent la disparition de la phase β, mais elles ne permettent pas de confirmer la détection de la nouvelle phase. De nouvelles données ont été obtenues concernant la compression de la phase β (110) pour des pressions de choc croissantes avant sa disparition. L’analyse des figures de diffraction obtenues en détente a également permis de mettre en avant des différences notables entre les essais à haute et basse pression. Sur la base de toutes ces mesures, des hypothèses de comportement ont pu être proposées. Enfin, de nombreuses perspectives d’études ont été identifiées sur les différentes installations afin d’approfondir ce travail et de confirmer les diverses hypothèses émises.