Analysis of nano indentation size effect based on dislocation dynamics and crystal plasticity

par Hyung-Jun Chang

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Marc Fivel, Laurent Tabourot et de Marc Verdier.

Soutenue en 2009

à Grenoble INPG en cotutelle avec Seoul National University .

mots clés

• Nanoindentation
• Éléments finis, Méthode des
• Dislocations dans les cristaux
• Dynamique moléculaire

Résumé

Ce mémoire de thèse concerne une étude expérimentale et numérique de l'essai d'indentation dans des monocristaux de cuivre. Des essais d'indentation sont réalisés sur différentes orientations du monocristal. L'effet de l'orientation de l'axe d'indentation est quantifié sur la modification de la courbe de charge et sur la forme de l'empreinte résiduelle observée par microscopie à force atomique. On observe un effet de taille pour de faibles profondeurs de pénétration de l'indenteur. Les simulations sont réalisées en utilisant un modèle de plasticité cristalline à variables internes qui prend en compte la densité de dislocations sur les différents systèmes de glissement. Le modèle est implémenté dans le logiciel ABAQUS à la fois en mode explicite et implicite. La valeur de certains paramètres du modèle est déterminée en comparant les résultats de simulations 3D d'indentations avec les expériences. L'effet de taille en indentation est reproduit en utilisant un modèle simplifié de plasticité à gradient. Finalement, le cas de l'indentation suivant l'axe (111) est simulée en utilisant une approche multiéchelle fondée sur la dynamique de dislocations dicrètes. Cette modélisation utilise des résultats de dynamique moléculaire spécifiant le procédé de germination de dislocations sous indenteur.

Résumé

This thesis deals with experiments and simulations of nanoindentation in copper single crystals. Indentation experiments are performed with different orientations of the indentation axis and both the load-displacement curve and the surface imprint observed by atomic force microscopy are analysed and compared. Indentation size effect is observed for low penetration of the indenter. Simulations are then performed using crystal plasticity finite element modelling. ABAQUS user subroutines are specially developed in order to account for the physics of dislocation activity in the twelve glide systems of copper crystals. 3D simulations are then performed and comparisons with the experiments give access to key parameters of the constitutive equations. The indentation size effect is reproduced using a simplified size effect theory implanted in the finite element modelling. Finally, a multiscale approach based on discrete dislocation dynamics is used to reproduce (111) indentations of copper single crystals. Molecular dynamics simulations give details of dislocation nucleation beneath the indenter. Dislocation dynamics simulations are then performed and the indentation size effect is addressed.