Université de technologie de Troyes

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Contenu

Manuel FRANCOIS
Professeur
Recherches sur les contraintes résiduelles et le comportement mécanique des matériaux. Applications des méthodes optiques à la mécanique. Mécanique des matériaux hétérogènes.

Enseignements en génie mécanique (actionneurs), en matériaux, en métrologie appliquée. Enseignements aux élèves ingénieurs UTT (GM, MTE, MM)

Téléphone : 03.25.71.56.57

Professeur, Docteur de l'ENSAM en mécanique et matériaux, Ingénieur ENSAM (Cluny 1982)


Formation

 

Juillet 1985 : ingénieur de l'Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers (ENSAM)

Juin 1991 : doctorat de l'ENSAM, spécialité mécanique et matériaux. Titre : Détermination des contraintes résiduelles par diffraction des rayons X dans des fils d’acier perlitique de faible diamètre

Juillet 1999 : habilitation à diriger des recherches de l'Université de Nantes. Titre : Analyse du comportement micromécanique et des contraintes résiduelles de matériaux industriels hétérogènes

 

Parcours professionnel

 

1985-1986 : Professeur de français langue étrangère à l’Institut de Technologie de KunMing (Rep. Pop. de Chine)

1988-1989 : Ingénieur de Recherche SERAM

1989-1993 : Ingénieur de Recherche Arts et Métiers ParisTech (CER ENSAM Paris)

1993-2000 : Maître de Conférences, à l’IUT de Saint-Nazaire/Univ. Nantes

Depuis 2000 : Professeur des Universités à l’Université de Technologie de Troyes (UTT)

 

Activités de Recherche

 

1. Méthodologie et métrologie de la mesure des contraintes par diffraction

Cette thématique a constitué un point fort de mes activités jusqu’en 2006-2007. Ma contribution a porté sur des aspects théoriques, par exemple en développant une théorie généralisée de la mesure qui montre que l’ensemble des configurations matériaux (texturé, multiphasé, à gros grain, de géométrie cylindrique ou torique, en couches minces,…) et l’ensemble des configurations d’acquisition peuvent être décrites par un formalisme unique. J’ai dû développer ces aspects en couplant diffraction, microstructure, géométrie et micromécanique des matériaux et j’ai également proposé des stratégies d’acquisition originales. D’autres aspects étaient liés aux erreurs et incertitudes : identification et modélisation des sources d’erreurs et prise en compte dans un calcul d’incertitude. Je me suis également intéressé à des problèmes de nature plus industrielle tels que les comparaisons inter-laboratoires ou bien la définition et le rôle d’échantillons de référence certifiés. Par ma participation active à la rédaction de normes au niveau français et européen, un certain nombre de concepts que j’avais développés ont pu être diffusés dans la pratique des laboratoires universitaires ou industriels. J’estime aujourd’hui que la technique est bien maîtrisée et je ne continuerai cette thématique que de manière sporadique.


2. Modèles de transition d’échelles et diffraction des rayons X et des neutrons

Lorsque j’ai abordé les mesures de contraintes par diffraction, les effets de la microstructure sur le signal acquis constituaient surtout une gêne dont il fallait s’affranchir. En fait, j’ai pu montrer que la diffraction, en sondant le matériau à l’échelle cristalline (donc des grains et des phases, pour simplifier), permettait d’obtenir des informations très pertinentes sur la micromécanique des polycristaux et des matériaux multiphasés lorsqu’elle était couplée aux modèles de transition d’échelle. Ainsi, elle permet de valider les modèles, de mesurer certaines composantes des tenseurs de localisation, d’identifier des éléments des modules tangents mésoscopiques ou encore de mesurer le tenseur d’élasticité ou les coefficients de dilatation thermique du cristal, inaccessibles par l’échelle macroscopique. Inversement, les modèles permettent d’interpréter les mesures. Après avoir utilisé un modèle autocohérent élastique pour prendre en compte l’effet des textures cristallographiques, je me suis tourné vers la thermoélasticité et l’élastoplasticité toujours en autocohérent (élasticité anisotrope + plasticité anisotrope avec calcul du tenseur de polarisation dans l’espace de Fourier à partir du module tangent complet, prenant en compte l’anisotropie liée à l’écoulement plastique ainsi que les rotations de grains). Ces travaux, sur matériaux cubiques et hexagonaux, ont permis de revisiter l’interprétation qui était faite classiquement des mesures de contraintes résiduelles. Contrairement à d’autres techniques de mesures locales (microgrilles, EBSD,…), l’intérêt de la diffraction est de pouvoir mesurer, avec une validité statistique avérée, l’état micromécanique local des polycristaux aussi bien en petites qu’en grandes déformations.

Aujourd’hui je cherche à coupler modèles micro-macro et diffraction pour analyser l’endommagement (au sens CDM ou Gurson) à l’échelle des grains. J’ai ainsi pu suivre le développement de l’endommagement dans la phase ferritique d’un acier duplex en mesurant, par diffraction de neutron à l’intérieur de la zone de striction, l’adoucissement de certaines familles de grains ferritiques et la reprise d’effort correspondante dans la phase austénitique. Parallèlement, l’endommagement macroscopique a été déterminé en corrigeant les effets de la striction et mis en regard avec l’endommagement mésoscopique. La méthodologie nécessite l’utilisation d’hypothèses qui sont encore, par bien des égards, critiquables mais mon objectif est de les lever et de les affiner dans les travaux à venir.


3. Contraintes résiduelles macroscopiques, matériaux et procédés

Outre les aspects mesures, mes recherches ont porté sur les mécanismes à l’origine des contraintes résiduelles dans les procédés de mise en forme et de traitement de surface et sur leur modélisation. Plus particulièrement je me suis intéressé aux procédés de mise en compression tels que le grenaillage par air comprimé, le grenaillage par ultra-sons et le choc laser. Les travaux réalisés ont permis de mettre en évidence l’importance des modèles de comportement utilisés et notamment l’influence des aspects thermiques, même pour un traitement dit « à froid ». Ils ont également permis le développement de la méthode des eigenstrains pour modéliser de manière simplifiée les effets du procédé et prédire les contraintes résiduelles et les déformations des structures. Pour prendre en compte les différents paramètres du procédé de grenaillage par ultra-sons, une modélisation de la dynamique des billes dans l’enceinte de traitement a été développée. Nous avons ainsi pu constater des effets inattendus de convection, de captage par les parois ou de constitution de radeaux de billes. Des travaux sont en cours pour valider expérimentalement ces résultats. Dans les travaux à venir, j’envisage de me concentrer sur le rôle des procédés (de précontrainte mais pas seulement) sur la durée de vie en fatigue de composants fortement sollicités. Ils seront focalisés sur les contraintes résiduelles et les écrouissages avec l’objectif de définir une démarche cohérente d’identification expérimentale des paramètres pertinents et comment les introduire et les extraire des modélisations du procédé et de la fatigue. Le but, à terme, est de mettre en place une démarche d’ingénierie permettant la prise en compte de ces paramètres lors de la conception et de l’élaboration de ces composants.


4. Mesures de contraintes résiduelles par méthodes photomécaniques

Par rapport à la diffraction, les méthodes mécaniques de mesure des contraintes résiduelles (méthode du trou incrémental, méthode de la flèche, etc.) fournissent une information plus aisément interprétable en termes de mécanique des milieux continus. Les jauges d’extensométrie, classiquement utilisées, présentent deux inconvénients : une faible redondance de l’information et une forte limitation des géométries de perturbation imaginables. Je me suis donc tourné vers les méthodes optiques, notamment l’interférométrie laser de speckle (ou ESPI) pour gagner en précision dans le cas de la méthode du trou incrémental, permettant ainsi d’améliorer le conditionnement du problème inverse, d’identifier et de corriger certaines erreurs expérimentales. J’ai également proposé une méthode innovante utilisant une rainure incrémentale couplée à l’ESPI pour obtenir une cartographie bidimensionnelle des contraintes résiduelles dans des structures du type cordon de soudure. Une thèse de doctorat est actuellement en cours pour améliorer la stratégie d’acquisition et d’inversion et l’appliquer à des structures plus complexes telles que des pignons de boîte de vitesse automobile. Dans les travaux à venir, je compte développer tout un panel de méthodes tout en posant des problèmes plus fondamentaux d’unicité de solution, d’inversibilité, de résolution. Je souhaiterais également étudier les effets des plastifications induites par les usinages et/ou par la redistribution des contraintes et proposer des méthodes systématiques pour les prendre en compte.


5. Analyse de la localisation des déformations plastiques par méthodes photomécaniques

L’analyse expérimentale quantitative de la localisation des déformations plastiques lors d’instabilités de type striction est très peu développée dans la bibliographie. Dans l’objectif de valider ou d’identifier les modèles de comportement élastoplastique avec endommagement (en formulation locale ou non locale) développés au LASMIS, je me suis intéressé à l’apparition et au suivi de la striction dans des matériaux métalliques. Les techniques utilisées (moiré interférométrique et surtout interférométrie laser de speckle ou ESPI) sont plus contraignantes de mise œuvre mais plus sensibles que la corrélation d’image utilisée couramment pour mesurer des déformations sous charge. Les travaux effectués ont permis non seulement d’évaluer quantitativement l’évolution de la largeur et de l’activité des bandes de localisation mais également de mettre en évidence quelques mécanismes sous-jacents de leur formation. Dans les travaux à venir, j’aimerais analyser de manière plus systématique l’effet de la microstructure et de l’état métallurgique sur les paramètres mesurés et proposer une méthode d’identification du paramètre (ou des paramètres) de longueur interne utilisé dans les modèles non locaux.


6. Détermination du comportement mécanique par indentation instrumentée

Ce thème de recherche est encore en phase de démarrage. L’objectif est de déterminer certains éléments du modèle de comportement d’un matériau à l’échelle locale (quelques micromètres) ou bien son état mécanique à l’aide des courbes charge-pénétration obtenues par indentation et d’une démarche d’identification inverse. Mes premiers travaux ont montré que les méthodes publiées dans la bibliographie présentaient des problèmes de stabilité, voire même de réalisme des valeurs obtenues. A mon sens, l’amélioration des méthodes inverses ne résoudra pas fondamentalement les problèmes d’unicité et de stabilité et j’envisage, dans les travaux à venir, de coupler l’indentation avec d’autres techniques pour progresser.

 

Activités d'enseignement

 

1. A l’Institut de Technologie de Kunming

Pendant une année, de septembre 1985 à juin 1986, j’ai enseigné le français langue étrangère à l’institut de technologie de Kunming (Rép. Pop. de Chine) pour 14h par semaine, 2 heures à des étudiants en Maîtrise d’anglais et 12 heures à un groupe d’une dizaine d’enseignants de l’institut qui souhaitaient aller en France pour perfectionner leur pratique pédagogique ou passer une thèse de doctorat. En l’absence de tout encadrement, j’ai dû m’adapter à un public dont les niveaux et les âges étaient très hétérogènes.

 

2. A l’ENSAM Paris

Cours de formation continue sur la détermination des contraintes résiduelles par diffraction des rayons X pour ingénieurs, chercheurs et techniciens, pour environ 6 heures par an de 1990 à 1996. J’intervenais aux deux niveaux, initiation et perfectionnement. En 1992 et 1993, j’étais responsable de l’organisation de ces deux formations de 4 et 3 jours respectivement, accueillant chacun une douzaine de personnes
J’ai également encadré ou participé à l’encadrement d’élèves ingénieurs en projet de fin d’études.


3. A l’IUT de Saint-Nazaire

J’ai assuré la totalité de mon service statutaire au sein du département Mesures Physiques sous la forme de travaux pratiques, de travaux dirigés et de cours magistraux. L’essentiel de mes interventions porte sur la mécanique, mais j’assure également des enseignements en matériaux en informatique scientifique et industrielle et en électricité. Le total horaire effectué dans le département fluctuait de 220 à 245 heures (équivalent TD) suivant les années.
A la rentrée 1996, j’ai pris la responsabilité de l’enseignement de mécanique de première année, et j’ai renouvelé totalement le cours magistral et les travaux dirigés, mettant ainsi en œuvre les nouveaux programmes de Mesures Physiques. J’ai participé à l’amélioration et au renouvellement de travaux pratiques de mécanique de 1ère et 2ème année. En 1998, j’ai repris la responsabilité de l’enseignement de matériaux avec l’aide de 2 collègues qui venaient d’être recrutés.
De 1996 à mon départ, j’ai enseigné dans le cadre du stage de formation continue « capteurs et instrumentation » organisé par l’IUT, pour environ 8 heures par an.


4. A l’Université de Technologie de Troyes

Depuis mon arrivée à l’UTT, j’y effectue la totalité de mon service statutaire en limitant les heures complémentaires à 20 ou 30 heures par an (éq. TD).
De 2000 à 2003, j’ai enseigné dans une UV « capteurs et instrumentation » en Tronc Commun de l’UTT (Bac+1). Grâce à mon passage au département Mesures Physiques à Saint-Nazaire, j’ai pu introduire de forts éléments de métrologie industrielle dans cette UV et y renouveler l’approche des incertitudes de mesure selon les pratiques actuellement recommandées. En 2004-2005 j’ai également été membre d’une commission de réflexion sur la réforme des enseignements du Tronc Commun.
A mon arrivée à l’UTT, en 2000, j’ai crée une UV complète (34h de cours, 34h de TD, 16h de TP, projets) sur les actionneurs à destination des élèves ingénieurs de la branche SM (Systèmes Mécaniques), abordant les actionneurs électromagnétiques, hydrauliques, pneumatiques et piézo-électriques. Depuis, j’ai gardé la responsabilité de cette UV. Les effectifs sont de 30 à 35 étudiants et je coordonne 5 intervenants. Je participe actuellement, avec les collègues, à une réorganisation des quatre UV d’automatisme, asservissements, actionneurs et capteurs.
Au sein de la branche SM, j’ai également participé à des enseignements dans le domaine de la résistance des matériaux, de l’étude et du dimensionnement des systèmes mécaniques (liaisons, hyperstatisme, roulements, contact, raideurs de machines, assemblages filetés, engrenages). J’interviens également dans une UV sur l’analyse théorique et expérimentale des contraintes dont l’objectif principal est la sensibilisation des étudiants au dialogue expérience/modélisation numérique. Dans ce cadre, j’ai mis en place une initiation aux méthodes photomécaniques (moiré, ESPI, corrélation d’images, photoélasticimétrie, thermoélasticimétrie…).
Lors de la création de la formation ingénieur MTE (Matériaux : Technologie et Economie) en 2002, je me suis investit, en collaboration avec mes collègues, dans la création de 3 UV, mettant ainsi en place des enseignements (cours, TD, TP) de corrosion, de traitement de surface, de procédés de revêtement, de caractérisation des matériaux et de plasticité/fatigue.
Chaque année, j’encadre 1 ou 2 groupes d’étudiants sur des projets représentant environ 120 heures de travail pour chaque étudiant. Les sujets sont définis soit à l’initiative des étudiants soit à la mienne.
Dans le cadre du Master Sciences, Technologies et Santé, spécialité Systèmes Mécaniques et Matériaux (SMM), j’ai la responsabilité d’une UV « ingénierie de précontraintes » (20h cours, 20h TD, projets) dont l’objectif est de former les étudiants sur les contraintes résiduelles : origine, mécanismes, mesure, modélisation, influence et prise en compte en conception. Les effectifs sont de 10 à 14 étudiants avec 4 intervenants. Je participe également à une UV « dimensionnement des structures sous sollicitations complexes ».
J’ai mis en place deux UV d’école doctorale. La première sur les méthodes de transition d’échelles (mécanique des matériaux multiphasés et/ou polycristallins, textures cristallographiques, contraintes internes) et la deuxième sur la conception et l’analyse d’expérimentations (plans d’expériences, analyse de la variance, régression, lissage/filtrage, étalonnage, traçabilité, raccordement, incertitudes, erreurs, exactitude, tests statistiques…)
Les trois universités de technologie (UTT, UTC, UTBM) ont mis en place, en partenariat avec l’Université de Shanghai (SHU), une plate-forme d’enseignement et de recherche intitulée UTSEUS (Univ. de Technol. Sino-Européenne de l’Université de Shanghai). Les étudiants chinois suivent un cursus de 5,5 ans pour obtenir le BSc de SHU et le diplôme d’ingénieur d’une des trois UT. Les trois premières années se déroulent en Chine. Dès la première année, en 2005, j’ai pris la responsabilité de la mise en place d’une UV de mécanique du point (en anglais, à Shanghai) avec deux collègues de Troyes et Compiègne et deux collègues de SHU, pour 240 étudiants. En 2007, j’ai également participé à une UV de 3ème année (en français, à Shanghai) en statique et dynamique des systèmes mécaniques. J’ai temporairement laissé cette activité depuis 2008 en prenant la responsabilité du LASMIS.
En avril 2007, j’ai organisé un séminaire pédagogique réunissant 43 enseignants/responsables des 3 UT et de SHU autour de 4 thèmes : l’interculturalité dans l’enseignement, la situation de l’ingénieur en Chine, le modèle d’enseignement des UT et de l’UTSEUS, l’utilisation des TICE dans le cadre de l’UTSEUS.


5. Hors murs

• Cours de formation continue en métallurgie pour des ingénieurs maintenance au site EDF de Saint-Denis, pour 24 heures par an de 1992 à 1997.
• Cours sur les mécanismes physiques de la plasticité des matériaux en troisième année de cycle ingénieur de l’Institut Supérieur des Matériaux du Mans (ISMANS) pour 6 heures par an en 1997, 1998 et 1999.
• Cours de mécanique et de technologie mécanique en deuxième année de l’Ecole Supérieure Atlantique d’Ingénieurs Electriciens (ESA IGELEC) à Saint-Nazaire, pour environ 30 heures par an de 1995 à 2000.
• Cours de culture générale sur les matériaux et leur mise en œuvre pour les étudiants préparant le BTS à l’Ecole Supérieure d’Arts Appliqués à Troyes. Dix heures par an en 2002, 2003 et 2004.

 

 

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