Comprendre les effets de tailles mécaniques dans les microfils métalliques : synergie entre expérience et simulation

Understanding mechanical size effects in metallic microwires : synergy between experiment and simulation

• Auteur / Autrice : Ravi Raj Purohit Purushottam Raj Purohit
• Direction : Ludovic Thilly, Céline Gérard, Loïc Signor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, Matériaux et Composants
• Date : Soutenance le 19/10/2018
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Olivier Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Thilly, Céline Gérard, Loïc Signor, Atul H. Chokshi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Castelnau, Fabrice Barbe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polycristaux

Texture (cristallographie)

Rayons X -- Diffraction

Nickel

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Effets de taille

Polycristallin microfils de nickel

Étirage à froid

Électropolissage

DRX à haute énergie

Microtexture

Modélisation de la microstructure

Simulations CPFE.

Size effects

Polycrystalline nickel microwires

Cold-Drawing

Electropolishing

High energy XRD

Micro-Texture

Microstructure modeling

CPFE simulations

Résumé

Les microfils métalliques polycristallins produits par étirage à froid présentent une résistance mécanique significative en faisant des candidats idéaux pour les renforts de composites. Des études antérieures sur des fils de nickel polycristallin pur ont montré une dépendance importante par rapport à la taille de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction, ainsi que de la ductilité.Le but de cette étude est de comprendre cet effet de la taille dans les microfils de nickel pur polycristallin par analyse de diffraction des rayons X in-situ (DRX) et simulations de la plasticité cristalline par éléments finis (CPFE). Des essais de traction monotone et cyclique in-situ sous rayonnement synchrotron ont été réalisés sur des microfils de diamètres allant de 100 à 40 μm. Les fils étirés à 100 micromètres obtenus dans le commerce présentent une architecture cœur-coquille avec une texture de fibre <111> dominante dans le cœur et une texture à double fibre hétérogène <111> et <100> dans la coquille. La réduction de la taille de l'échantillon par polissage électrolytique conduit à des fils ayant une microstructure homogène, tandis que la réduction de la taille de l'échantillon par un étirage à froid supplémentaire conduit à des fils avec une texture plus intense tout en conservant l'architecture cœur-coquille.La limite d'élasticité et la résistance à la traction des fils électropolis augmentent avec la diminution du diamètre, tandis que la ductilité diminue avec la réduction du diamètre. Dans le cas des fils étirés à froid, on observe que la limite d'élasticité et la résistance à la traction, ainsi que la ductilité, augmentent avec la diminution du diamètre. L'analyse DRX indique une plasticité successive des familles de grains sous iso-déformation. Nous avons observé que le gradient de la texture du microfil active des mécanismes de déformation qui ne sont pas observés pour les microfils à texture homogène. Pour comprendre l'influence de différents paramètres microstructuraux, notamment l'influence de la texture cristallographique, une microstructure représentative 3D a été générée et des simulations CPFE ont été réalisées. Le comportement simulé moyen des différentes familles de grains (<111>, <100>) concorde bien avec les résultats expérimentaux. La simulation CPFE indique une hétérogénéité du champ de contrainte à travers la microstructure en présence d'un gradient de texture cristallographique.Nous montrons que la micro-texture (texture simple ou double texture) et leur dispersion spatiale (homogène ou architecturée) peuvent être utilisées comme stratégie de conception pour obtenir une microstructure optimale en fonction de l’ensemble désiré de propriétés mécaniques.

Polycrystalline metallic microwires produced by cold-drawing exhibit significant mechanical strength that make them ideal candidates for reinforcement of composites. Previous studies on polycrystalline pure nickel wires have indicated a significant size dependence of their yield and tensile strength as well as their ductility. The aim of this study is to understand these size effects by in-situ X-ray diffraction (XRD) analysis and crystal plasticity finite element (CPFE) simulations. In-situ monotonous and cyclic tensile tests under synchrotron radiation were carried on microwires with diameters ranging from 100 to 40 µm. The commercially obtained 100µm as-drawn wires exhibit a core-shell architecture with <111> fiber texture dominant in core and heterogeneous dual fiber texture <111> and <100> in the shell. Reduction of specimen size by electropolishing leads to wires having a homogeneous microstructure, whereas reduction of specimen size by further cold drawing leads to wires with a sharper texture while retaining the core-shell architecture.The yield and tensile strength of the electropolished wires increase with decreasing diameter, whereas the ductility decrease with decreasing diameter. In the case of cold-drawn wires, the yield and tensile strength, and also the ductility was observed to increase with decreasing diameter. The XRD analysis indicates successive yielding of grain families under iso-strain condition. The gradient in the texture of the microwire was seen to activate deformation mechanisms which are not seen for microwires with homogeneous texture. To understand the influence of different microstructural parameters, and notably the influence of crystallographic texture, 3D representative microstructure was generated and CPFE simulations were carried out. The simulated average behavior of different grain families (<111>, <100>) agrees well with the experimental results. The CPFE simulations indicate heterogeneity in stress field across the microstructure in the presence of a gradient in crystallographic texture.We show that the microstructure engineering of micro-texture components (single- or dual-texture) and their spatial spread (homogenous or architectured) can be used as design guidelines for obtaining optimal microstructure in accordance with desired set of mechanical properties.