Approche multi-échelle du vieillissement et du comportement cyclique dans le tantale

Multiscale approach of aging and cyclic behaviour of tantalum

• Auteur / Autrice : Damien Colas
• Direction : Samuel Forest, Eric Finot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/11/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Pilvin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samuel Forest, Eric Finot, Nicolas Saintier, Matthieu Mazière, Sylvain Flouriot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mikhail Lebedkin, Véronique Doquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tantale

Mots clés libres

Tantale

Fatigue

Vieillissement

Tantalum

Fatigue

Aging

Résumé

La conception de structures complexes requiert une connaissance exhaustive des matériaux utilisés à la fois au niveau macroscopique et au niveau microscopique. Dans le cas du tantale, peu d'études ont été menées pour des sollicitations cycliques et pour l'influence du vieillissement (au sens de la diffusion des atomes interstitiels vers les dislocations) sur le comportement macroscopique et sur les champs locaux de déformation. Afin de mieux comprendre les mécanismes microstructuraux régissant la déformation, cette étude mène de front des essais avec un suivi de déformation à l'échelle locale couplés à une modélisation adaptée, autorisant la prise en compte explicite de la microstructure.Dans un premier volet, une étude macroscopique du vieillissement et du comportement cyclique du tantale est présentée. Plusieurs techniques expérimentales ont été utilisées, mettant en évidence la propagation d'une bande de localisation de la déformation lors de l'entrée en plasticité. En parallèle, un modèle phénoménologique EKMC (de Estrin, Kubin et McCormick) rendant compte du comportement macroscopique (notamment du pic de traction dû au vieillissement statique) a été identifié ; permettant ensuite des investigations numériques sur les manifestations de la localisation de la déformation.Ensuite, l'étude a été poursuivie à l'échelle locale à la fois expérimentalement et numériquement. Pour ce faire, des matrices micrométriques de plots en nickel ont été déposées à la surface d'un échantillon. Les images sucessives autorisent le calcul des cartes de déformation expérimentales lors d'un essai de traction interrompu. La modélisation explicite de la microstructure a été rendue possible par la génération d'agrégats polycristallins spécifiques avec des conditions de surface libre. L'étude de l'influence de la prise en compte du vieillissement sur l'hétérogénéité des champs locaux de déformation a permis de confronter ces derniers avec les champs expérimentaux.Enfin, une étude multi-échelles du comportement en fatigue a été effectuée. Un essai de fatigue interrompu avec observations microscopiques et construction de cartes de déformation a été réalisé. L'hétérogénéité de déformation locale a ainsi été identifiée et quantifiée, jusqu'à l'amorçage de fissures. Une simulation d'une sollicitation équivalente a été réalisée sur un agrégat polycristallin, permettant la comparaison directe des champs locaux de surface. Des investigations approfondies ont été menées sur l'agrégat pour mettre en place un critère d'amorçage basé sur des grandeurs physiques en accord avec l'expérience.

Designing complex structures requires an exhaustive knowledge of the materials used at both macroscopical and microscopical scales. In the case of tantalum, only few studies have been focused on the cyclic behaviour and on static strain aging's (aging in the sense of atoms diffusion to dislocations) influence on macroscopical behaviour and on the local strain fields. In order to extend the comprehension of microstructural mechanisms driving deformation, this study deals with experiments following the local strain fields evolution and with an appropriate modelling, taking into account microstructure explicitly.In a first step, a macroscopical study of aging and cyclic behaviour is presented. Several experimental techniques have been used in order to highlight a strain localisation band propagation associated to the anomalous yield point phenomenon. In parallel, a phenomenological EKMC (from Estrin, Kubin and McCormick) macroscopic model has been adopted, capturing the macroscopic behaviour (especially the anomalous yield point associated to static strain aging) ; and then used for several numerical investigations about the strain localisation occurence.Then, the study has been continued at the microscale in both numerical and experimental matters. Thus, several micrometrical matrixes of nickel dots have been led on the sample's surface. The have then been used for the experimental strain maps computation during an interrupted tensile test. The explicit computation of the microstructure through a specific generation of polycrystalline aggregates using free surface conditions has permitted to study the influence of aging on the local strain fields heterogeneity and to compare them with the experimental ones.Finally, a multi-scale study of the cyclic behaviour has been carried out. An interrupted fatigue test with microscopic observations and strain maps computations has been carried out, permitting the identification and quantification of the local strain heterogeneity up to the crack initiation. A computation of an equivalent loading has been done on a polycrystalline aggregate in order to set up a fatigue criterion based on physical quantities in agreement with experimental datas.