Micromechanical and statistical studies of twinning in hexagonal metals : application to magnesium and zirconium

par Pierre-Alexandre Juan

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Stéphane Berbenni et de Laurent Capolungo.

Le président du jury était Laszlo Toth.

Le jury était composé de Edgar Rauch.

Les rapporteurs étaient Laurent Delannay, Teresa Pérez-Prado.

  • Titre traduit

    Études micromécaniques et statistiques du maclage dans les métaux hexagonaux : application au magnésium et zirconium


  • Résumé

    Le principal objectif de ce travail est l’investigation et la quantification de l’influence des interactions parent-macle et macle-macle sur la réponse mécanique des métaux hexagonaux, et en particulier sur celle du Mg et du Zr. Une nouvelle approche à champs moyens est tout d’abord proposée pour étudier l’interaction parent-macle. Cette dernière est déclinée en deux modèles micromécaniques à double-inclusion : un premier modèle généralisant le résultat de Tanaka-Mori aux milieux élastiques hétérogènes avec déformations libres de maclage appliqué au Mg pour du maclage primaire et secondaire, et un second modèle consistant en une extension du premier modèle à un milieu élasto-plastique appliqué à des polycristaux d’alliage de Mg subissant un maclage primaire important. Leurs résultats mettent notamment en valeur l’influence des interactions de type parent-macle sur l’évolution des contraintes internes ainsi que sur l’activation des modes de glissement et de maclage. L’influence des interactions macle-macle sur les phénomènes de nucléation et de croissance de macles est ensuite étudiée de façon statistique à partir de données EBSD extraites à partir d’un logiciel, basé sur la théorie des graphes et développé lors de la thèse. La première étude réalisée sur le Zr montre que les interactions macle-macle sont défavorables à la nucléation de nouvelles macles et que les mécanismes de croissance peuvent différer de façon conséquente d’un mode de maclage à l’autre. Une seconde étude, effectuée à partir d’échantillons d’alliage AZ31 Mg, discute des macles d’extension primaires {10-12} à faible facteur de Schmid et des double-macles {10-12}-{10-12}


  • Résumé

    The objective of this thesis is to investigate and quantify the influence of parent-twin and twin-twin interactions on the mechanical response of h.c.p. metals. To study parent-twin interactions, a mean-field continuum mechanics approach has been developed based on a double inclusion topology. A first model generalizing the Tanaka-Mori scheme to heterogeneous elastic media is applied to first and second generation twinning in Mg. The model is capable of reproducing the trends in the development of backstresses within the primary twin and enables the identification of the most likely second-generation twin variants to grow in a primary twin domain. A second self-consistent model, consisting of an extension of the first one to the case of elasto-plasticity, is applied to AZ31 Mg polycrystals. The results show that deformation system activities and plastic strain distributions within twins drastically depend on the interaction with parent domains. The influence of twin-twin interactions on nucleation and growth of twins is being statistically studied from Zr and Mg electron back-scattered diffraction (EBSD) scans. A twin recognition software relying on graph theory analysis has been developed for data extraction. The results obtained from Zr EBSD maps reveal that twin-twin interactions hinder subsequent twin nucleation and that mechanisms involved in twin growth may differ for each twinning mode. A second study performed on AZ31 Mg presents statistics about low Schmid factor {10-12} tensile twins and about {10-12}-{10-12} double twins coupled with a simplified version of the Tanaka-Mori scheme generalized to heterogeneous elasticity with plastic incompatibilities.


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