Etude expérimentale et modélisation des microstructures de déformation plastique intragranulaires discrètes

Experimental study and modelling of the intra granular deformation microstructure

• Auteur / Autrice : Camille Perrin
• Direction : Marcel Berveiller, Horst Vehoff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 29/10/2010
• Etablissement(s) : Metz en cotutelle avec Universität des Saarlandes
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPMM - Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux - FRE 3236
• Jury : Président / Présidente : Walter Arnold
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Aubertin, Stéphane Berbenni, Olivier Bouaziz, Stefan Diebels, Patrick Franciosi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux granulaires

Dislocations dans les cristaux

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Microstructures

Dislocations

Micromécanique

Intra-granulaires

Résumé

L’amélioration des techniques de caractérisation (EBSD, MET, AFM) permet actuellement une meilleure compréhension des mécanismes plastiques intra-granulaires pour des poly-cristallin déformé. Les observations expérimentales montrent que les processus de plastification sont fortement hétérogènes et intermittent à l’intérieur des grains. Les modèles micromécaniques à champs moyens développés ces dernières décennies ne considèrent pas proprement les hétérogénéités intra-granulaires du glissement plastique. Or il est aujourd’hui démontré (simulations de Dynamique des Dislocations Discrètes par exemple) que la prise en compte de l’auto-organisation des dislocations à l’intérieur des grains est fondamentale pour mieux comprendre et expliquer les effets de taille de grains sur le comportement mécanique des polycristaux. Dans cette étude, deux approches complémentaires ont été développées : Une approche théorique qui consiste aux calculs des champs élastiques (contrainte interne et rotation de réseau) dus à une distribution discrète de boucles de dislocations contraintes par le joint de grains, et une approche expérimentale dont le but est de caractériser quantitativement les longueurs caractéristiques (espacements inter-bandes, et niveau de plasticification dans les bandes) pour des polycristaux à plusieurs tailles de grains se déformant plastiquement et de mesurer les rotations de réseau locales associées (mesure EBSD de désorientation de réseau cristallin) en vue de les comparer au champs de rotations élastiques calculés par le modèle. Le modèle a également été étendu pour permettre l’étude à des microstructures plus complexes, comme par exemple, les cellules de dislocations

The improvement of the materials characterization techniques in the last years has given access to new important information about the microstructure of polycrystalline metals. From experimental studies of deformed polycrystals, plastic strain within grains is known to be strongly heterogeneous and intermittent. As a consequence of the collective motion of dislocations, sample surfaces are indeed characterized by the presence of slip lines and slip bands (as slip traces). In the present study, a new micromechanical approach is developed to derive the mechanical fields (stresses, distortion, lattice curvature, elastic energy) arising from the presence of an inelastic strain field representing a typical internal "microstructure" as the one observed during the plastification of metallic polycrystals. This "microstructure" is due to the formation of discrete (spatial-temporal) intra-granular plastic slip heterogeneities which are modelled using discrete distributions of circular glide dislocation loops for a grain embedded in an infinite elastic matrix. Then, field equations have been solved using the method of Fourier Transforms. In contrast with the mean field approach based on the Eshelby formalism, it is then found that stress and lattice curvature fields are not more uniform inside the grain. A grain boundary layer actually appears where strong gradients occur and whose thickness depends on the introduced internal lengths. These results are compared with experimental measurements of local lattice rotation fields obtained by orientation imaging mapping (OIM). The model is able to capture different behaviours between near grain boundary regions and grain interior. The model was also develop to allow the study of more complex microstructures like the dislocation cells