Publié le 21 novembre 2023
Chercheur au Centre des Matériaux de MINES Paris, Jacques Besson est spécialisé dans l’étude des processus physiques de rupture des métaux. Ses recherches, en lien étroit avec l’industrie, oscillent entre essais en laboratoire, modélisations et simulations en taille réelle. Sa carrière lui vaut cette année de recevoir le Grand Prix IMT-Académie des sciences.
Jacques Besson, chercheur spécialisé dans l'étude de la rupture des métaux, est récompensé du Grand Prix IMT-Académie des Sciences 2023.
Jacques Besson est spécialiste de la rupture, mais détrompez-vous, il est avant tout un expert en métaux ! Au Centre des Matériaux d’Evry-Courcouronnes – également Unité Mixte de Recherche du CNRS (UMR 7633) – ce chercheur observe les mécanismes de rupture des métaux, à partir desquels il développe des modèles de comportement. Grâce à la mise en équation de ces modèles, il est capable de prédire et prévenir la fissuration et la ruine de structures.
Jacques Besson a effectué son cursus d’ingénieur et sa thèse aux Mines de Paris. Dès son arrivée au CNRS en 1992, à la suite de son post-doctorat, il se dédie à l’étude de la rupture des matériaux. Fortement ancrées dans l’industrie, du pétrole et du gaz, du nucléaire ou encore de l’aéronautique, ses recherches impliquent de nombreux partenaires, comme GRT Gaz, EDF, CEA, Framatome, ONERA ou Safran. Cette proximité avec le monde industriel l’a mené deux fois hors du circuit académique français. Une première fois, en 2000, à l’occasion d’une année sabbatique passée à l’institut de recherche Hereon, ex-GKSS, en Allemagne ; une seconde, en 2004, pour un détachement d’un an à l’EDF Lab des Renardières, en Seine-et-Marne.
Ces expériences lui ont donné l’opportunité d’établir des contacts pérennes, et surtout, « de s’extraire du tumulte quotidien pour réfléchir. » Des « pauses » dont Jacques Besson a su tirer le maximum : 30 ans plus tard, il ne se lasse pas de sa thématique de recherche. « Il y a beaucoup de façon de casser, beaucoup de matériaux, et surtout, les techniques – expérimentales, de calcul, de programmation – ont énormément évolué avec le l’essor du numérique ! »
Le scientifique étudie donc la prévention du risque de fissuration de structures, avec une application majoritairement industrielle. Ces structures travaillent généralement en élasticité, c’est-à-dire que leur déformation reste élastique donc réversible. « Sur un avion par exemple, les ailes peuvent ployer pendant le vol mais lorsque l’avion atterrit, elles reviennent à leur place initiale », image le chercheur. Néanmoins, il arrive qu’au-delà d’un seuil de contrainte, la déformation d’une pièce devienne irréversible, on parle alors de plasticité. Le risque de rupture augmente alors.
« Dans les situations accidentelles sur lesquelles je travaille, il y a essentiellement de la plasticité, et surtout, il y a des fissures dans les structures », expose Jaques Besson. Ces fissures sont d’origine diverses : elles peuvent être dues à de la corrosion ou à de la fatigue, liée à des milliers, voire des millions de cycles d’utilisation. Elles peuvent être identifiées visuellement ou grâce à des instruments. Dans les pipelines par exemple, les « pigs » ou « pistons racleurs » sont des appareils de maintenance envoyés à l’intérieur pour prendre des mesures ou faire de l’inspection, qui peuvent détecter la présence de fissures.
L’objectif de Jacques Besson est ensuite de qualifier la dangerosité de ces fissures, aussi minimes soient-elles, et leur risque de propagation en cas d’accident ou de surcharge. L’aptitude d’une structure à résister à un certain chargement extérieur est appelée dimensionnement : la vitesse de rotation au-delà de laquelle un disque de moteur d’avion explose par exemple, ou encore la pression qu’un pipeline peut supporter, par rapport à la présence d’un défaut.
Exemples de diverses éprouvettes, dont une éprouvette fissurée en deux parties après essai, au milieu. Crédits : Ingrid Colleau.
Les méthodes de dimensionnement font appel à de la modélisation et de la simulation, mais reposent d’abord sur des expérimentations, réalisées essentiellement en laboratoire ou chez les industriels. Les expériences les plus fréquentes sont des essais de traction sur éprouvettes fissurées ou non. Loin des instruments de mesure en verre des chimistes, les éprouvettes, en science des matériaux, désignent les pièces types destinées à être soumises aux tests de résistance, mécaniques ou thermiques.
Ces observations viennent ensuite alimenter des modèles de rupture développés spécifiquement par le chercheur. Jacques Besson utilise la méthode des éléments finis : la matière, considérée comme un continuum, est « discrétisée », c’est-à-dire découpée en éléments finis. Puis chaque portion de matière est modélisée par des équations qui décrivent et prédisent la rupture. In fine, ces modèles fournissent des valeurs de ténacité, c’est-à-dire de résistance à l’avancée d’une fissure.
Une des problématiques centrales de la recherche en rupture réside ensuite dans le transfert des modèles calculés sur éprouvettes aux structures à échelle réelle. Il existe de nombreuses sortes d’éprouvettes, plus ou moins représentatives du chargement réel d’une structure. Il est primordial de travailler sur le matériau de la structure car le comportement est lié à la matière (composition chimique…) mais également à la forme de l’objet testé.
Jacques Besson a par exemple travaillé sur les gaines en zirconium utilisées dans les centrales nucléaires. Ces tubes, d’une épaisseur de 500 microns (1 micron est 1 000 fois plus petit que 1 millimètre), sont faits à partir d’une barre soumise à un procédé spécifique de laminage. « On pourrait se dire qu’en prélevant un peu de matière de cette barre et en mesurant la ténacité, on obtiendra la ténacité du matériau final, mais rien n’est plus faux ! », réfute le chercheur. « D’une part, parce que la barre est épaisse, ce qui influe sur la résistance à la déchirure. D’autre part, parce que le procédé de laminage transforme la matière et affecte les propriétés de ténacité. »
Jacques Besson et son équipe ont, en quelques occasions, obtenu des essais sur des tronçons de pipelines ou des conduites d’eau à haute température utilisées en centrale nucléaire. « C’est la vraie finalité de nos recherches ! » s’enthousiasme le chercheur. « J’adore mener ce genre d’études qui vont jusqu’à l’application à des cas réels. La collaboration avec des industriels permet d’accéder à ce type d’expériences, chères et longues à monter, que nous ne pouvons pas mener en laboratoire. »
Essai à pleine échelle sur une soudure entre deux segments de pipeline. Crédits : Jacques Besson.
Néanmoins, ces expérimentations de dimensions industrielles, ou quasi-industrielles, sont minoritaires et la recherche en rupture des matériaux ne peut se passer des essais sur éprouvettes pour faire de la modélisation. Il y a même un intérêt majeur – à la fois technique et financier – à réaliser des modèles à partir d’échantillons de taille réduite. C’est tout l’enjeu du projet de chaire MESSIAH, porté par Jacques Besson.
La chaire industrielle MESSIAH (Mini-éprouvettes pour le Suivi en Service des Structures avec Application au transport d’Hydrogène), inaugurée fin 2021 et financée par l’ANR, a un double objectif de développer de très petites éprouvettes, pour caractériser la matière, et évaluer la possibilité de transport d’hydrogène dans les réseaux de distribution existants. L’utilisation de mini-éprouvettes permet de réaliser des tests à partir de prélèvements sur site sans affecter le fonctionnement des installations.
Par construction, ces mini-éprouvettes ne sont pas conformes aux normes qui encadrent les essais de déchirure sur matériaux métalliques. Un des objectifs de la chaire est donc de développer des méthodes pour transposer les mesures réalisées sur ces mini-éprouvettes à ce qui pourrait être mesuré sur les éprouvettes standardisées. « Même à cette échelle, le défi reste grand car les éprouvettes pèsent quelques centaines de grammes alors que certaines structures pèsent plusieurs centaines de tonnes », illustre le chercheur.
Mini-éprouvette de traction (à g.) ; mini-éprouvette fissurée (à d.). Crédits : Jacques Besson.
Le second objectif de la chaire porte sur la mobilisation des réseaux utilisés actuellement pour la distribution du méthane au transport de l’hydrogène. Le problème est que les atomes d’hydrogène sont très petits et peuvent pénétrer la plupart des métaux composant les tronçons, ce qui les rend fragiles et sujets aux fissures. Il est donc essentiel de vérifier l’aptitude des installations existantes au transport de l’hydrogène et de suivre l’évolution des matériaux qui les constituent, tout au long de leur durée de vie. « C’est un sujet tout nouveau pour moi, qui me motive beaucoup ! », conclut l’insatiable chercheur, et surtout crucial, dans un contexte de transition énergétique.
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