Contribution à l'étude de l'amorçage de fissures dans les matériaux fragiles

Maître de conférences : Aurélien Doitrand

Laboratoire INSA :  MatéIS

Rapporteurs :  Djimédo Kondo (IJLRA, Sorbonne Université), Christophe Bois (I2M, Université de Bordeaux) et Sylvain Drapier (LGF, École des Mines de Saint-Etienne)

Jury : 

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
Mr	Djimédo Kondo	Professeur des universités	IJLRA, Sorbonne Université
Mr	Christophe Bois	Professeur des universités	I2M, Université de Bordeaux
Mr	Sylvain Drapier	Professeur des universités	LGF, Ecole des Mines de Saint-Etienne
Mme	Thouraya Baranger	Professeure des universités	LMC2, Université Claude Bernard Lyon I
Mr	Julien Réthoré	Directeur de recherche	GeM, Universite de Nantes
Mme	Nathalie Godin	Maitre de conférences HDR	MATéIS, INSA de Lyon
Mr	Sylvain Meille	Professeur des universités	MATéIS, INSA de Lyon

Caractérisation expérimentale, modélisation et simulation de la rupture et de l'émission acoustique associée

Doctorant : Xi CHEN

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences
École Doctorale : n°34 ML - Matériaux

L'établissement d'une corrélation claire entre les caractéristiques du signal d'émission acoustique (EA) et les caractéristiques de la source qui induit la propagation de l'onde dans le matériau est un défi en contrôle non destructif de l'endommagement dans les matériaux. En effet, les caractéristiques du signal sont fortement influencées par le milieu de propagation, la détection du capteur et le système d'acquisition. Il est également difficile de généraliser la validation des approches de classification des signaux d'émission acoustique mesurés et de leur lien avec les différents mécanismes d'endommagement. Les relations établies sont donc principalement qualitatives. La modélisation numérique du processus d'EA permet d'envisager une analyse quantitative. La simulation permet aussi d'accroître la robustesse et la fiabilité de l'application de l'EA. Ce travail vise donc à établir un lien quantitatif entre un signal d'EA mesuré et la source correspondante. Il est basé, d'une part, sur la caractérisation expérimentale de l'EA en tenant compte de l'influence de la géométrie de l'échantillon et du type de capteur ; d'autre part, il se concentre également sur la simulation numérique de l'amorçage de la fissure, en tant que source d'émission acoustique, et de la propagation de l'onde dans l'échantillon. La simulation de la chaîne d'acquisition d'EA comprend la modélisation de la source d'EA, de la propagation de l'onde, de la détection du capteur et du système d'acquisition. Parmi ces parties de modélisation, ce travail se concentre sur (1) la simulation de la source d'EA résultant de l'amorçage de la fissure;
(2) l'étude de l'effet du capteur et de l'effet de l'épaisseur d'un point de vue expérimental ; (3) la simulation des signaux d'EA générés par une rupture de mine de crayon pour étudier l'influence des différentes conditions de simulation, y compris les dimensions de modélisation, les conditions aux limites et l'amortissement du matériau. L'amorçage de la tissure est considéré comme une source d'émission acoustique et modélisé sur la base du critère couplé dynamique. Le critère couplé dynamique est évalué en comparant la prédiction de l'amorçage de la fissure à partir d'un trou circulaire dans des plaques, numériquement et expérimentalement. Plusieurs facteurs, tels que le profil de vitesse de la fissure pendant l'amorçage et la propagation de la fissure, le comportement élastique linéaire ou non linéaire du matériau et la méthode de séparation progressive ou simultanée des nœuds, influencent l'énergie émise pendant la fissuration. Une description précise du processus amorçage et de propagation des fissures est donc importante pour une modélisation fiable des sources d'émission acoustique. Le capteur utilisé joue aussi un rôle clé, car il déforme les signaux dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel, ainsi que ses descripteurs. Une procédure axée sur une source unique générée par la rupture d'une mine de crayon est proposée pour réduire l'effet de capteur ainsi que l'effet d'épaisseur afin d'obtenir un ensemble de données générales provenant de plusieurs types de capteurs et de plaques d'épaisseurs différentes. La simulation correspondante est réalisée à l'aide de modèles 2D ou 3D. La simulation numérique nous permet de mettre en évidence l'importance des conditions aux limites et d'identifier le comportement d'amortissement du matériau en comparant les résultats numériques et expérimentaux. L'approche proposée permet de faire un pas en avant dans l'établissement d'un lien quantitatif entre la source d'EA et les caractéristiques du signal mesuré.
 

Étude électrochimique couplée à la tomographie à rayons X des impuretés dans les électrodes négatives de lithium­ métal.

Doctorant : Nathan REYDET

Laboratoire : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED 34 ML - Matériaux

Le développement des véhicules électriques (VE) nécessite des batteries avec une densité énergétique accrue. Bien que les batteries Li-ion dominent le marché, elles atteignent progressivement leurs limites chimiques. Le lithium métal à l'électrode négative représente une alternative de choix pour augmenter significativement la densité énergétique. Cependant, son utilisation reste complexe en raison de son comportement encore mal compris, notamment la formation d'inhomogénéités de dépôt et d'oxydation, qui déstabilisent l'interface électrolyte/lithium au cours du cyclage. Cette thèse s'appuie sur un couplage entre une analyse détaillée de la microstructure du lithium métal et une étude électrochimique réalisée sur des cellules symétriques Li/Electrolyte/Li et des batteries Li/Electrolyte/LFP en configuration pouch-cell. L'objectif est de mieux comprendre les mécanismes de dégradation du lithium qui limitent la durée de vie des batteries. Une attention particulière a été portée à la population des inclusions et des précipités dans la microstructure du lithium. En combinant tomographie X et microscopie optique, cette thèse a caractérisé en détail ces microstructures, notamment les inclusions identifiées comme des cristaux d'hydrure de lithium (LiH). Ces analyses ont révélé un phénomène de fracturation des inclusions au cours du laminage, selon le rapport entre la taille moyenne des inclusions et l'épaisseur du laminé. Une évolution significative de la taille et de la fraction volumique de LiH a également été mise en évidence au cours du vieillissement du lithium métal, selon les conditions de stockage. Un modèle de maturation et d'absorption d'hydrogène est proposé. Les différents lots de lithium, présentant une microstructure différente et bien caractérisée, ont été testés dans des batteries en conservant systématiquement le même électrolyte et la même positive. Ces études ont mis en lumière les liens entre la taille, la densité volumique et la fraction volumique des inclusions, et la dynamique des mécanismes de dégradation. Il a été démontré que la taille des inclusions à l'interface Li/électrolyte est le facteur le plus critique, présentant une corrélation directe avec l'intensité des courants de courts-circuits. Un procédé de purification a également été développé pour réduire la présence des inclusions. Ce procédé a permis de réduire partiellement ces inclusions, mais a également modifié profondément la microstructure du lithium, affectant notablement la distribution des précipités et des inclusions. Les résultats de cette thèse amènent une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation du lithium métal dus aux inclusions de LiH et mettent en lumière des perspectives pour optimiser la qualité de ce métal utilisé dans les batteries. Ces travaux soulignent également les défis à relever pour son utilisation généralisée et optimisée dans des systèmes électrochimiques avancés avec de faibles épaisseurs d'électrode.

Impression 3D de Batteries Lithium-ion par Direct lnk Writing

Doctorant : Samuel SIMAGA

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 Matériaux

La demande croissante en sources d'énergie électrique autonomes pousse à repenser les méthodes de stockage de l'énergie. Parmi les différentes technologies disponibles, le stockage électrochimique en batterie lithium-ion se distingue par sa densité énergétique élevée. Toutefois, la conception des cellules Li-ion et le processus d'enduction des électrodes n'ont pas fait l'objet de changements significatifs depuis l'émergence des premières batteries commerciales de ce type. Dans ce contexte, la fabrication additive apparaît comme une approche prometteuse permettant l'accès à des assemblages au design complexe, inaccessibles avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit couvrent le développement de formulations d'électrodes à faible empreinte environnementale, compatibles avec la technique de fabrication additive Direct lnk Writing (DIW). Cette technique permet d'imprimer des matériaux couche par couche en 3D avec, dans le cas présent, une résolution de 200 micromètres. Des formulations d'encres aqueuses d'électrodes de batterie lithium-ion à base de graphite et de LiFePO. ont été développées, dans ce travail. Les propriétés rhéologiques des encres ont été optimisées pour permettre une impression par DIW avec des taux de matière active élevés (près de 90 %) tout en présentant après séchages des propriétés électriques et mécaniques appropriées pour leur utilisation en tant qu'électrodes. Ces électrodes imprimées affichent des performances électrochimiques remarquables en offrant une capacité similaire à celle des électrodes enduites de manière traditionnelle. Ces électrodes imprimables amènent à un changement de paradigme concernant la cellule, notamment la prise de contact électriques et l'encapsulation. Ces travaux ont également permis de proposer des pistes de recherche et de présenter des premiers résultats concernant des cellules conçues pour des structures complexes, telles que des motifs cathodes/anodes interdigités. En conclusion, l'impression 3D par DIW apparaît comme une méthode prometteuse pour la conception de microbatteries lithium-ion, offrant une voie attractive
pour répondre à la demande croissante de dispositifs portables ou de batteries lithium-ion architecturées. L'impact environnemental a été considéré dans ces travaux en sélectionnant des matériaux dont la mise en œuvre peut être réalisée dans l'eau et qui sont abondants.
 

Fabrication additive par frittage de matériaux métalliques biodégradables Mg-Zn pour implants orthopédiques.

Doctorant : Julien MOREAU

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les alliages de magnésium (Mg) apparaissent comme des matériaux prometteurs pour les applications biomédicales en raison de leur biocompatibilité, leur biodégradabilité et leurs propriétés mécaniques favorables. Cependant, leur dégradation rapide dans des environnements aqueux ont freiné leur utilisation à grande échelle. Cette étude explore l’incorporation de zinc (Zn) et de zirconium (Zr) comme éléments d’alliage afin d’améliorer la résistance à la corrosion. L’objectif principal de cette thèse est la conception d’alliages, en utilisant des procédés de fabrication par métallurgie des poudres et des modifications microstructurales grâce à des traitements de vieillissement. Ces modifications ont été suivies par des mesures de dureté et de puissance thermoélectrique, avec pour but ultime d’obtenir un taux de dégradation contrôlé et prévisible dans des environnements physiologiques. Des alliages Mg-Zn-Zr de haute pureté ont été fabriqués par Spark Plasma Sintering (SPS), en accordant une attention particulière aux effets des paramètres de frittage sur la couche d’oxyde native entourant les particules de poudre d’alliage de magnésium. Les propriétés mécaniques des pièces denses obtenues ont été évaluées afin de déterminer les températures optimales de fabrication. Les propriétés des matériaux ont été caractérisées à l’aide de différentes techniques, notamment la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS), la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage (SEM), la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), la micro-indentation, les mesures de polarisation potentiodynamique et les études de dégradation in vitro. Les traitements thermiques des alliages ont favorisé la formation de précipités, qui se sont révélés bénéfiques pour la résistance à la corrosion lorsque leur taille et leur distribution étaient correctement maîtrisées. Un autre aspect essentiel de cette étude concerne l’utilisation de la fabrication additive (AM) pour les alliages de magnésium. Outre la personnalisation qu’elle permet dans le domaine médical, l’AM facilite la création de structures cellulaires avec une porosité contrôlée. Ces structures permettent de moduler les propriétés mécaniques tout en favorisant l’invasion cellulaire, un facteur clé en ingénierie tissulaire. Les pièces ont été produits par robocasting, un procédé d’extrusion couche par couche utilisant une pâte composée de poudre et de liant. Ces structures ont ensuite été déliantées et frittées pour atteindre leurs propriétés finales. Bien que le frittage des alliages de magnésium présente des défis importants, l’utilisation du frittage en phase liquide et d’un creuset en labyrinthe a permis d’atteindre le frittage des pastilles pressées et des pièces imprimés. En résumé, cette thèse présente le développement d’un alliage biodégradable Mg-Zn-Zr conçu pour des applications orthopédiques. Les propriétés mécaniques et de corrosion ont été optimisées grâce à la fabrication de pièces denses par SPS, et une méthode de robocasting pour les alliages de magnésium a été développée, ouvrant la voie à des implants biodégradables imprimés en 3D.

« Etude électrochimique du comportement semi-conducteur des couches d’oxydes sur aciers inoxydables »

Doctorant : Clément PIERRE

Laboratoire : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Cette thèse se concentre sur la compréhension et la modélisation des mécanismes de corrosion des aciers inoxydables en milieu aqueux, en particulier l’impact de la couche passive sur la cinétique d’oxydo-réduction (ou réactivité) d’un couple redox à sa surface. L’étude bibliographique montre que la réduction des couples redox est plus lente sur un acier passif que sur un matériau noble, probablement en raison du caractère semi- conducteur de la couche d’oxydes rendant plus difficile le passage des électrons de l’acier vers l’interface oxyde-solution où se déroule la réaction de réduction. Cependant, aucun consensus n’existe sur la relation entre ces propriétés et la réactivité de surface. Ce travail combine une approche expérimentale et une modélisation pour approfondir ce lien.
Sur le plan expérimental, des mesures électrochimiques ont été effectuées sur deux aciers industriels utilisés dans le recyclage du combustible nucléaire. Une étape préliminaire a permis de définir les conditions expérimentales (couple redox, pH, etc.) et d’étudier la stabilité du film passif. Les résultats montrent que, dans le domaine cathodique, la pente locale (liée au coefficient de transfert de charge cathodique (αc) varie selon la polarisation et les tendances diffèrent entre chaque acier. Des analyses chimiques (XPS) et des études des propriétés semi-conductrices (Mott-Schottky) ont montré que, bien que les compositions chimiques des couches d’oxydes soient différentes, les caractéristiques de semi-conduction sont similaires.
Enfin, une simulation avec le Diffusion Poisson Coupled Model (DPCM) a été réalisée. Ce modèle a permis de simuler des expériences de Mott-Schottky et des courbes courant- tension, reproduisant les variations de αc observées. Pour ces dernières simulations le DPCM permet d’attribuer le comportement observé à la variation de la concentration en électrons disponibles à l’interface oxyde solution avec la polarisation.

« Fabrication Additive par fil fondu d’un acier martensitique : formulation du fil et étude du déliantage/frittage »

Doctorant : Jordan LACORNE

Laboratoire INSA : MateIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Le procédé FFF (Fused Filament Fabrication) est une technique de fabrication additive pour créer des pièces métalliques à moindre coût. Il comprend plusieurs étapes : l’élaboration et la fabrication des filaments composé d’une matrice polymère et de poudre métallique, l’impression des pièces dites vertes, le déliantage consiste à retirer la matrice polymère soit par dissolution par solvant, soit par dégradation thermique, le frittage densifie les pièces laissées poreuses après le déliantage. L'entreprise Nanoe, spécialisée dans les filaments céramiques, cherche à étendre son expertise aux pièces métalliques, notamment en acier H13. L’optimisation des formulations ainsi que l’amélioration des étapes de post-impression sont primordiaux pour la technologie FFF. L'objectif principal de cette thèse était de caractériser l'ensemble du procédé afin de l'améliorer. Pour cela, les travaux de thèse se sont articulés autour de trois axes : déterminer les propriétés mécaniques et rhéologiques requises pour obtenir des filaments imprimables ; optimiser le déliantage tout en évitant l'apparition des défauts ou des contaminations ; obtenir des pièces denses.
L’étude de l’influence des modules de stockage G’ et de perte G’’ sur l’écoulement du feedstock lors de l’impression et la tenue de la pièce lors du déliantage a permis de définir les additifs utilisés dans le feedstock. Puis, L'optimisation du déliantage vise à réduire le temps de cycle tout en prévenant les défauts. Un nouveau cycle de déliantage a été mis au point, tenant compte des températures de dégradation des liants et des vitesses adaptées. Enfin, les recherches ont approfondi les paramètres de frittage de l’acier H13, en observant les effets sur la porosité et la microstructure, notamment grâce à des suivis dilatométriques et des analyses au MEB. Les résultats ont permis de mieux comprendre les mécanismes de densification et l'impact du taux de carbone sur la microstructure finale.

« Development of 5xxx Aluminium Alloys for Additive Friction Stir Deposition »

Doctorante : Maureen PUYBRAS

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale :  ED34 : Matériaux de Lyon

Additive Friction Stir Deposition (AFSD) is gaining significant attention for its ability to fabricate large-scale aluminum components without requiring melting, making it an attractive technique for reducing energy consumption. Given the challenges associated with post-heat treatment of large components, this work seeks to minimize the need for such thermal treatments. In this context, Al- Mg alloys—specifically the 5XXX series, which are predominantly strengthened by magnesium in solid solution—were studied. These alloys, widely used in marine applications such as boat hulls, are prone to the formation of Al₃Mg₂ precipitates at grain boundaries. This precipitation process leads to "sensitization," making the alloy susceptible to intergranular corrosion and stress corrosion cracking in corrosive environments.
To counter-strike this issue, the study investigated the incorporation of (Sc, Zr) as Al₃(Sc,Zr) core- shell dispersoids. These dispersoids serve as heterogeneous nucleation sites for Mg, potentially influencing both magnesium precipitation and the AFSD process. Using isothermal artificial aging treatments, combined with thermoelectric power measurements, it was demonstrated that Al₃(Sc,Zr) dispersoids accelerate the precipitation of magnesium.
This thesis further explores the effects of AFSD on (i) alloy microstructure, (ii) Mg precipitation, and (iii) the stability of Al₃(Sc,Zr) dispersoids under various process parameters, with a particular focus on the rotational rate. Microstructural changes were analyzed through Electron Backscatter Diffraction (EBSD), revealing significant grain refinement due to the presence of dispersoids. Additionally, Transmission Electron Microscopy (TEM) and Atom Probe Tomography (APT) were used to assess the dispersoid structure and behavior before and after the AFSD process, shedding light on the impact of AFSD on second-phase particles. Finally, the study evaluated the sensitization resistance of these alloys, providing insights into their performance in corrosive environments.

« Strain Evolution and Mechanical Failure in SiOx-Graphite Blend Electrodes for Li-Ion Batteries: An Experimental and Simulation Study »

Doctorant : Abhilash VALISAMMAGARI

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Silicon is identified as a promising material for negative electrodes in next-generation lithium-ion batteries due to its high lithium storage capacity of 3579 mAh/g, which is nearly 10 times higher than the conventional graphite electrode capacity of 372 mAh/g. However, silicon's practical use faces critical challenges due to its volumetric expansion (up to 300%) during lithiation and delithiation cycles. This leads to mechanical degradation, such as electrode delamination and particle detachment, which diminishes performance and cycle life. To address these issues, researchers have turned to silicon oxides (SiOx), which offer a balance between high capacity and cycling stability by reducing volumetric expansion. Although SiOx has a lower capacity than pure silicon, it still outperforms graphite electrodes. However, the mechanical challenges like particle detachment are still existing, but, to a lesser extent than pure silicon. The objective of this thesis is to observe and understand the impact of particle swelling on the overall structural integrity of the electrode. Particularly, focussing on the loss of connectivity in the electrode and to extract possible information for optimizing SiOx-containing electrodes. For this puropose, experimental investigations, including synchrotron tomography and digital volume correlation, were used to gain high-resolution insights into both global and local strain field distribution within the electrode. Later, considering the granular structure of the electrodes, a particle-based method called Discrete Element Method (DEM) was employed to represent the microstructure of the electrode, and considering the insights from the experimental investigation such as the evolution of strains at the electrode scale, the coupling of particle swelling was performed to reproduce the global strain. Finally, the corresponding impact at the electrode scale swelling and the resulting detachement of the particles was assesed by conducting connectivity study on the assembly.
 

« Use of additive manufacturing for functional rehabilitation »

Doctorant : Valentine DELBRUEL

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Since 2017, Humanity and Inclusion has used Fused Filament Fabrication (FFF) to produce prosthetics and orthotics in low-income countries. The initial outcomes were promising, but reliance on imported PP filaments from Europe led to logistical issues. This project aims to recycle plastic waste into 3D-printing filament for local orthopedic device manufacturing in Togo. First, a study evaluated PET, PP, and TPU materials based on availability, recyclability, printability, and mechanical properties. PP was selected for its semi-rigidity, ensuring patient comfort and support. Second, the printability and properties of PP-PE blends from recycling plants were studied. Thermal and rheological analyses highlighted the most promising composition for FFF: a PP matrix with 30 to 50% HDPE. Satisfactory mechanical properties were obtained due to in-situ compatibilization during processing. Ultimately, recycled blends with 70% PP – 30% HDPE, sourced from post-consumer waste from food packaging and post-industrial waste from orthopedic sheet production scraps, were transformed into filament and 3D-printed into AFOs through an optimization of the processing parameters. Third, durability assessments examined the accelerated aging resistance of PP under Togo weather conditions. Recycled PP was sensitive to thermo- and photo-oxidation due to impurities and degraded stabilizers. However, 3D-printing limited process-induced degradation, showing promise for aging resistance. Finally, mechanical tests on a walking bench compared 3D- printed AFOs from virgin and recycled materials with thermoformed PP AFO. While the thermoformed AFO showed the highest resistance, 3D-printed AFOs exhibited similar resistance, with virgin AFOs showing ductile rupture and recycled AFOs showing brittle rupture, highlighting the potential of recycled materials. To conclude, the perspectives for humanitarian applications are discussed, emphasizing the potential of emerging techniques such as Fused Granular Fabrication, which could simplify the manufacturing process and reduce costs.