Couplage entre plasticité et transformation de phase dans le Fer : Étude par corrélation d’images et modélisation

par Nicolas Bruzy

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Michel Coret.


  • Résumé

    Les propriétés mécaniques des alliages de fer sont largement conditionnées par leur microstructure et la population de défauts locaux qu’elle contient. Comme il s'agit d'un moment de forte interaction entre ces deux éléments, l'étude des transformations α-γ et γ-α du fer mérite une attention particulière. Outre le passage d'une structure cristalline cubique centrée à une structure cubique faces centrées – donc de compacités différentes –,elles sont associées à une réduction des paramètres de maille. Le changement de volume correspondant est responsable de déformations mécaniques locales autour des sites de germination. La technique de corrélation d'images numériques(CIN) s'est montrée fiable pour ce qui est de calculer des champs cinématiques à l'échelle de quelques grains. Dans ce travail, elle est adaptée à la capture de localisations de la déformation pendant les transformations allotropiques. Un banc expérimental est conçu pour obtenir des images haute résolution avec un contrôle fin des sollicitations thermiques. Des essais de validation sont d'abord effectués sur du fer industriel. Puis des échantillons de fer haute pureté sont ensuite soumis à des cycles de transformation α-γ-α et les champs de déformation correspondant sont calculés par CIN. Associés à l'acquisition des orientations initiales et finales, ils sont utilisés pour valider les mécanismes de transformation proposés dans la littérature. En parallèle, un modèle, écrit en petites déformations, est construit en incorporant des composants liés à la transformation dans une fonctionnelle dont les conditions de stationnarité sont équivalentes au problème thermomécanique à résoudre. Les incréments des variables internes, incluant glissements plastiques et fractions volumique transformées, sont obtenus en minimisant cette fonctionnelle.

  • Titre traduit

    Coupling between plasticity and phase transformation in iron


  • Résumé

    Mechanical properties of iron-based alloys are largely conditioned by their microstructure and the population of local defects inside this microstructure. As it is a moment of massive interplay between these two elements, the study of the α-γ and γ-α transformations in iron is of particular interest. Besides a change from a body-centered cubic to a face-centered cubic crystal structure – and thus a change in compacity –, they lead to a lattice parameter reduction. The corresponding change in volume is responsible for local mechanical deformations around transformation sites. Digital Image Correlation (DIC) technique has been proven reliable to compute kinematic fields at the scale of a few grains. In the present work, an adaptation of this technique to the observation of strain localizations induced by the formation of a new phase is proposed. A home-made device is designed to obtain high resolution images and to control heating and cooling. Tests are first conducted on industrial iron to assess the viability of the procedure. High-purity iron samples are then submitted to α-γ-α transformation cycles and the associated strain fields are computed. In combination with the acquisition of initial and final orientations they are used to validate transformation mechanisms proposed in the literature. In parallel, a model, written under the small strain format, is built by incorporating transformation related components into a power functional whose stationarity conditions are equivalent to the thermomechanical problem. In accordance with variational principles, the evolution of internal variables,including plastic slip increments and fraction of the material locally transformed, are computed through the minimization of the functional.


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