Thèse Mesure In Situ des Contraintes Résiduelles à l'Échelle Micrométrique H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
Direction de la thèse : Véronique AUBIN ORCID 0000000341810977
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

Cette thèse propose d'étendre la méthode de perçage par faisceau d'ions focalisé (FIB) couplée à la microscopie électronique à balayage (MEB) pour la mesure des contraintes résiduelles, afin de l'appliquer à des échantillons non plans et hétérogènes tels que les fils tréfilés et les revêtements de surface. Pour ces applications, l'état de contrainte résiduelle et les propriétés du matériau dépendent fortement du procédé de fabrication. De plus, les contraintes résiduelles peuvent atteindre des valeurs élevées et elles ont une influence importante sur la durée de vie en fatigue. Il est alors essentiel de pouvoir les caractériser à l'issue de la fabrication. Comme elles dépendent du procédé, il est nécessaire de travailler avec les pièces réelles, même si elles sont de petite dimension ou de forme complexe. La stratégie clé pour enrichir la méthode de mesure de ces contraintes résiduelles consiste à combiner des analyses par éléments finis (MEF) avec des mesures CIN plein champ afin de mesurer et de modéliser précisément la géométrie et la microarchitecture de l'échantillon, permettant ainsi des mesures de contraintes résiduelles de haute précision.

Les mesures de contraintes résiduelles par MEB-FIB sont utilisées avec succès depuis plus d'une décennie. La méthode est donc bien documentée dans la littérature, et il existe même un guide de bonnes pratiques (Lord et al., 2018). Cependant, dans toutes ces applications, l'échantillon est considéré comme un demi-plan infini, avec des conditions aux limites très éloignées de la zone d'intérêt. Ces hypothèses se sont avérées valables pour une grande variété d'applications, mais présentent des limitations lorsque la surface de l'échantillon n'est pas plane, comme c'est le cas pour les fils d'acier étirés à des diamètres micrométriques (par exemple, 200 µm), ou lorsque le traitement de surface (revêtement, grenaillage, etc.) est très mince (par exemple, 50 µm ou moins). Cette thèse s'inscrit dans la continuité de plusieurs projets, dont trois post-doctorats et trois stages de master 2, qui ont déjà exploré cette méthode. Par conséquent, le projet de doctorat sera considérablement accéléré par la résolution de certains problèmes.

L'objectif de ce projet est d'étendre les méthodes de mesure des contraintes résiduelles basées sur la technique MEB-FIB afin qu'elles puissent inclure les caractéristiques géométriques et structurelles de l'échantillon en question, permettant ainsi la mesure de plusieurs composantes du tenseur des contraintes en fonction de la profondeur sous la surface.

Les principales stratégies à mettre en oeuvre sont les suivantes :
1.Utiliser des méthodes de corrélation d'images numériques (CIN) plein champ dédiées, avec des fonctions de forme spécialisées (champs de sensibilité), pour capturer le faible signal de déformation élastique dûe à la relaxation tout en assurant une robustesse maximale face aux artefacts et au bruit de numérisation.
2.Intégrer des mesures hors plan à l'aide de méthodes de topographie BSE et/ou de photogrammétrie MEB stéréoscopique.
3.Repenser la forme de la zone usinée par MEB-FIB afin de dépasser les géométries d'usinage classiques (trou, anneau ou H). L'enjeu principal est d'analyser la sensibilité de la mesure de contrainte pour chaque composante du tenseur des contraintes en fonction de la géométrie d'usinage, en utilisant les méthodes développées pour FEMU et IDIC.
4.Intégrer toute la richesse de la méthode des éléments finis (MEF) dans la méthode inverse afin de modéliser précisément la forme et l'architecture de l'échantillon et ainsi prédire correctement la contrainte à partir d'une déformation mesurée.
5.S'appuyer sur les techniques CIN et MEF déjà développées par le LMPS pour réaliser efficacement ce couplage numérique-expérimental.