Offre de thèse
Investigation de la micro-coupe d'alliages de cuivre sans plomb avec assistance par effet Rehbinder
Date limite de candidature
25-07-2025
Date de début de contrat
01-09-2025
Directeur de thèse
LECOMTE Jean-Sebastien
Encadrement
La thèse sera également co-encadrée par Alain D'Acunto (MCF) et Gaël Le Coz (IGR). Andrea Capella (IGR) sera également en appui pour la conduite d'essais de frottement.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 3 : Thermomécanique des Procédés et des Interactions outil-matière (T-PRIOM)contexte
Les directives REACH et RoHS prévoient de limiter l'utilisation de certaines substances nocives telles que le plomb. Il n'existe pas encore d'alternatives appropriées à l'utilisation du plomb dans les alliages de cuivre destinés à l'usinage. Il existe donc une exemption pour ces matériaux, qui sera réexaminée en 2025. Cependant, en tant qu'élément d'alliage, il favorise grandement l'usinabilité des matériaux principalement utilisés dans le décolletage. Le plomb permet de diviser par deux la longueur de contact outil-copeau et d'obtenir un coefficient de frottement plus faible. Le plomb change également de forme, passant d'une forme globulaire à une forme allongée lorsque celui-ci traverse la zone de cisaillement primaire. Ces aiguilles agissent comme des points d'initiation de fissures, assurant ainsi la formation de copeaux discontinus. La réduction ou l'élimination du plomb entraîne donc des problèmes techniques de fragmentation des copeaux et d'interaction entre l'outil et le matériau. Le cuivre et ses alliages (notamment le laiton) sont largement utilisés dans l'usinage de précision et le micro-usinage (domaines d'application : optique, électronique, horlogerie et secteur médical). Ces techniques sont donc soumises aux directives européennes. Cependant, les techniques de micro-usinage utilisant des outils coupants (tournage, fraisage, perçage) ne peuvent pas bénéficier pleinement des connaissances sur l'usinage conventionnel en raison d'effets d'échelle : épaisseur du copeau non déformé à l'échelle du micron, du même ordre de grandeur que l'acuité de l'arête de coupe, des déviations (flexion de l'outil, erreur de positionnement de la machine, qualité du système d'usinage), ou de la microstructure. Des différences notables ont été observées dans les forces de coupe spécifiques liées aux mécanismes de formation des copeaux, dans le comportement thermique de l'interface outil-copeau ou dans la formation de bavures. Pour répondre aux exigences du micro-usinage du cuivre, la lubrification à l'huile ou à l'émulsion reste la méthode d'assistance la plus courante, mais elle présente des inconvénients en termes de durabilité (produits pétrochimiques, consommation élevée d'eau dans le cas de l'émulsion, traitement des déchets). La tendance actuelle est de remplacer ces méthodes par des moyens alternatifs.spécialité
Mécanique des Matériauxlaboratoire
LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des MatériauxMots clés
Usinabilité, Sciences des matériaux
Détail de l'offre
Le projet RELEASE vise à répondre à un défi industriel majeur : la substitution du plomb dans les alliages de cuivre, tout en conservant des propriétés d'usinabilité optimales et sans augmenter la consommation énergétique durant le micro-usinage. Bien que le plomb soit un élément crucial pour l'usinabilité des alliages de cuivre, il présente un danger significatif pour l'environnement et la santé humaine. Dans cette optique, il est essentiel de développer des alliages de substitution plus durables et moins toxiques tout en assurant une qualité de production égale voire supérieure.
Ce projet de recherche se concentrera sur trois axes principaux liés à l'usinabilité et aux propriétés des nouveaux alliages de cuivre sans plomb :
• Caractérisation des alliages de substitution : Analyser la microstructure et les propriétés mécaniques des nouveaux alliages à une échelle micrométrique pour comprendre les principales différences avec les alliages conventionnels contenant du plomb. L'objectif est d'évaluer leur aptitude au micro-usinage en termes de résistance mécanique, de ductilité et de comportement à l'usinage.
• Étude de la formation du copeau et des efforts de coupe : Une attention particulière sera portée aux phénomènes de bombement observés lors de l'usinage à sec, souvent contrôlés par la présence de plomb dans les alliages actuels. L'analyse portera sur les mécanismes de déclenchement de ces bombements à travers des expériences de micro-usinage et des analyses microstructurales des copeaux (notamment avec la technique FIB). Le but est de comprendre les variations d'efforts de coupe et d'épaisseur du copeau lors de l'usinage des alliages de substitution.
• Analyse de l'effet Rehbinder : Explorer l'impact d'une couche tensioactive à l'interface outil-copeau sur la formation du copeau, un effet peu documenté dans la littérature, mais potentiellement crucial dans l'amélioration de l'usinabilité des nouveaux alliages. Des techniques avancées de microscopie et des analyses physico-chimiques seront mises en œuvre pour comprendre ces interactions complexes.
Keywords
Machinability, Material science
Subject details
The RELEASE project aims to respond to a major industrial challenge: the substitution of lead in copper alloys, while maintaining optimal machinability properties and without increasing energy consumption during micromachining. Although lead is a crucial element for the machinability of copper alloys, it presents a significant danger to the environment and human health. With this in mind, it is essential to develop alternative alloys that are more durable and less toxic, while ensuring the same or even better production quality. This research project will focus on three main areas relating to the machinability and properties of new lead-free copper alloys: - Characterisation of substitution alloys: Analysing the microstructure and mechanical properties of the new alloys on a micrometric scale to understand the main differences with conventional lead-containing alloys. The aim is to assess their suitability for micromachining in terms of mechanical strength, ductility and machining behaviour. - Study of chip formation and cutting forces: Particular attention will be paid to the bulging phenomena observed during dry machining, which are often controlled by the presence of lead in current alloys. The analysis will focus on the mechanisms that trigger these bulges through micro-machining experiments and microstructural analyses of the chips (in particular using the FIB technique). The aim is to understand the variations in cutting forces and chip thickness during the machining of substitute alloys. - Analysis of the Rehbinder effect: Exploring the impact of a surface-active layer at the tool-chip interface on chip formation, an effect that is little documented in the literature but potentially crucial in improving the machinability of new alloys. Advanced microscopy techniques and physico-chemical analyses will be used to understand these complex interactions.
Profil du candidat
Formation recommandée :
- Mécanique des matériaux,
- Physique chimie de la matière condensée,
- Matériaux,
- Sciences de l'ingénieur, avec un intérêt pour la microscopique électronique, la programmation et les calculs.
Compétences attendues :
- Expression et rédaction en français et en anglais avec un niveau compatible avec les objectifs de valorisation (présentation en conférences et publication d'articles)
- Gestion de données scientifiques
Qualités requises :
- Appétence forte pour l'expérimentation
- Proactivité
- Rigueur
Candidate profile
Recommended training :
- Mechanics of materials,
- Physical chemistry of condensed matter,
- materials,
- Engineering sciences, with an interest in electronic microscopy, programming and calculations.
Expected skills :
- Expression and writing in French and English at a level compatible with the objectives of the project (presentation at conferences and publication of articles)
- Scientific data management
Required qualities:
- A strong interest in experimentation
- Proactivity
- Thoroughness
Référence biblio
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