Contribution à l'étude des mécanismes de plasticité dans les hexagonaux compacts lors de l'essai de nanoindentation : Application au Zinc

Contribution to the study of plasticity mechanisms in hexagonal compact metals during the nanoindentation test : Application to Zinc

• Auteur / Autrice : Luong Thien Nguyen
• Direction : Michel Troyon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en nanosciences (LRN) - EA 4682 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Tabourot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Troyon, Salima Bouvier, Fazilay Laraba Abbes, Boussad Abbes, Christophe Schuman, Jean-Sébastien Lecomte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Halim Haddadi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasticité

Nanoparticules

Zinc -- Composés

Mots clés libres

Nanoindentation

Plasticité crystalline

Zinc pur

Simulation EF

Cristal HCP

Nanoindentation

Crystal plasticity

Pure zinc

FE simulation

HCP crystal

Résumé

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation des mécanismes de déformation et de leurs interactions pour un zinc polycristallin pur, sous les conditions de chargement complexe et local qui caractérisent l'essai de nanoindentation. En effet, l'interaction des différents mécanismes mis en jeu a généralement été étudiée sur la base de sollicitations dites simples, telles que les essais de traction uniaxiale, biaxiale… Sous l'action d'un chargement uniforme, la prépondérance d'un système particulier sera conditionnée par l'orientation du cristal et par le sens du chargement par rapport à l'axe sénaire. La situation peut être rendue plus complexe dans le cas d'un chargement non simple, comme c'est le cas de l'essai d'indentation. Nous avons réalisé des essais de nanoindentation sur des grains de différentes orientations cristallographiques (mesurées par EBSD), et les résultats obtenus en termes de courbes "charge-profondeur de pénétration" et topographie des empreintes résiduelles ont été analysés. La complexité de l'état de contrainte qui se développe dans le matériau dépend des caractéristiques géométriques de l'indenteur et des orientations cristallographiques en présence, ce qui peut donner lieu à diverses interactions entre les modes de déformation. Ces interactions impacteront directement l'écoulement plastique local du matériau, et par voie de conséquence les propriétés mécaniques macroscopiques du matériau. En adoptant une loi de comportement en plasticité cristalline, nous avons ensuite procédé à la détermination des cissions résolues critiques et des paramètres d'écrouissage pour les différents mécanismes observés. Cette détermination s'est basée sur la résolution d'un problème inverse, au cours duquel nous avons couplé la simulation numérique 3D de l'essai de nanoindentation à l'identification des paramètres de la loi de comportement au moyen d'algorithmes génétiques. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques en termes de courbes "charge-profondeur de pénétration" et profils de déformation montrent la bonne adéquation entre les données expérimentales et le modèle identifié. Les résultats obtenus ont ainsi permis de caractériser les mécanismes de déformation observés, et de proposer des perspectives à ce travail.

Within the scope of this thesis, we focused on the characterization of deformation mechanisms and their interactions for pure polycrystalline zinc under complex and local loading conditions such that those involved in a nanoindentation test. Indeed, the interaction between the different mechanisms involved has generally been studied on the basis of so-called simple tests, such as uniaxial or biaxial tensile tests ... Given uniform loading conditions, the predominance of a given deformation system depends on the crystal orientation and the loading direction relative to the crystal c-axis. The situation may be further complicated in case of a complex stress state, as it is the case of the indentation test. We performed nanoindentation tests on grains of different crystallographic orientations (measured by EBSD) and the results (curves "load-penetration depth" and topography of residual imprints) were analyzed. The complexity of the stress state that develops underneath the indenter depends on both the geometrical characteristics of the latter and the crystallographic orientations of the grains, which can give rise to different interactions between the deformation modes. Those interactions will directly affect the local plastic flow, and thus the mechanical properties of the macroscopic material.By using a crystal plasticity model, we have then determined the critical resolved shear stresses and hardening parameters for the observed deformation mechanisms. This determination is based on the solution of an inverse problem, in which we have coupled 3D numerical simulations of the nanoindentation test to genetic algorithms to solve an optimization problem. Comparison between experimental and numerical results in terms of "load-penetration depth" curves and penetration depth profiles show a good agreement between the experimental data and the identified model. The results enabled to characterize the observed deformation mechanisms, and to provide perspectives to this work.