Un des plus grands défis de la recherche industrielle contemporaine consiste à vouloir définir, uniquement par le calcul, l’architecture d’un matériau possédant des propriétés désirées dans un environnement donné.
Même si cet objectif est encore lointain, les développements numériques et théoriques réalisés ces vingt dernières années constituent une panoplie relativement complète permettant de s’en rapprocher. Ces outils sont, en effet, maintenant utilisés couramment dans l’industrie, tant en ce qui concerne les propriétés structurelles et mécaniques, que les propriétés de transport, et on peut supposer que les Unités visant à la modélisation numérique en Sciences des Matériaux vont continuer à se développer.
La principale caractéristique de cette activité est le caractère profondément pluridisciplinaire qu’implique la multitude d’échelles mises en jeu. Il faut ainsi avoir recours à des techniques allant de la physique microscopique pour la modélisation à l’échelle atomique, aux sciences de l’ingénieur classiques pour la modélisation à l’échelle des structures, en passant par les échelles intermédiaires relevant habituellement de la métallurgie ou de la physique des milieux hétérogènes.
Dans le cadre de la simulation, l’expérience joue le rôle plus particulier de valider la modélisation, puisque le calcul doit fournir des prédictions très précises. Ainsi, il est essentiel de connaître les techniques expérimentales permettant une confrontation directe avec les calculs.
Enfin, l’informatique joue un rôle crucial dans toutes ces approches, en particulier dans le traitement du flot de données généré par une simulation.
Le thème central des recherches développées dans le LERMPS est l’étude des matériaux métalliques et, en particulier, des relations entre la structure des matériaux et leurs propriétés, mécaniques ou magnétiques.
Nos recherches privilégient l’étude des propriétés mécaniques et de la résistance à l’environnement chimique.
Travaux concernant les propriétés mécaniques
Ils visent à élucider les mécanismes physiques qui déterminent
1/ les constantes élastiques,
2/ la dilatation thermique,
3/ la loi d’écoulement plastique,
4/ la ténacité,
5/ la résistance au fluage,
6/ la résistance à l’endommagement.
Des domaines particuliers d’expertise sont la rupture ductile et l’adhésion d’assemblages et de revêtements.
Travaux concernant la résistance à l’environnement chimique
Ils portent principalement sur
1/ la corrosion électrochimique,
2/ l’oxydation à haute température,
3/ la corrosion des réfractaires par les métaux liquides.
Deux types d’approches sont développées : celle basées sur les calculs ab-initio et celle utilisant la dynamique moléculaire classique.
Le calcul ab-initio
Le calcul ab initio, établi sur les lois fondamentales de la mécanique quantique, fournit des modèles à l’échelle atomique.
Parmi les nombreux travaux publiés récemment en ce sens, on peut citer ceux de Kaxiras de l’Université de Harvard. En testant sur ordinateur différentes substitutions chimiques dans un matériau à base de molybdène et de silicium, il a conclu que l’aluminium améliorerait la ductilité (capacité d’élongation) du composé. Une prédiction qui a été récemment confirmée par l’expérience.
Mais le calcul ab initio permet de traiter au mieux une centaine d’atomes pendant seulement une picoseconde. Au delà, il faut sacrifier un peu au réalisme du modèle et introduire des données empiriques pour alléger les calculs. On atteint alors l’échelle mésoscopique, celle de la microstructure du matériau. Pour l’observer, la dynamique moléculaire s’impose.
La dynamique moléculaire
Cette technique repose cette fois sur des lois de mécanique classique et permet de suivre le comportement de 1 million d’atomes sur une nanoseconde, mille fois plus longtemps qu’en calcul ab initio. La dynamique moléculaire est utilisée en particulier pour observer des cascades.