Simulations numériques de la dynamique des dislocations dédiées au comportement en fatigue à très grand nombre de cycles

Numerical simulations of the dyslocation dynamics in the very high-cycle fatigue regime

• Auteur / Autrice : Eddie Margarita Listrange Lopez Guerrero Longsworth
• Direction : Marc Fivel, Nicolas Ranc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 29/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Edgar Rauch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dan Mordehai, Laurent Dupuy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghiath Monnet, Alexander Hartmaier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Enthalpie

Dislocations dans les métaux

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Barrière d'énergie

Cross-Slip

Dynamique des dislocations

Cross-Slip

Energy barrier

Dislocation dynamics

Résumé

Afin de simuler le comportement en fatigue à très grand nombre de cycle de métaux par dynamique des dislocations, cette thèse propose une modélisation améliorée de la loi de glissement dévié utilisée jusqu’alors. La première étape a consisté à obtenir l’effet de la contrainte sur l’enthalpie d’activation du glissement dévié en utilisant la dynamique des dislocations discrètes. Les résultats obtenus ont été comparés à deux modèles récents de glissement dévié, à savoir le modèle numérique de Kang et al. (2014) et le modèle analytique de Malka-Markovitz et Mordehai (2019). Il a été démontré que ces deux modèles étaient en accord quantitatif avec les résultats obtenus à l’aide de simulations de la dynamique des dislocations discrètes. L’enthalpie d’activation des segments vis est estimée à partir du modèle analytique de Malka-Markovitz et Mordehai (2019) dont la calibration est aisée à partir de la valeur de la barrière d’énergie sans contrainte. La deuxième étape a consisté à mettre en œuvre le récent modèle de probabilité de glissement dévié proposé par Esteban Manzanares et al. (2020) dans le code de dynamique des dislocations discrètes. Les résultats obtenus ont été comparés aux valeurs numériques du taux de glissement dévié estimées par Vegge et al. (2000) et Oren et al. (2017) en utilisant des simulations atomistiques. Il a été démontré que le modèle de glissement dévié proposé était capable de reproduire les résultats atomistiques en utilisant un seul paramètre libre, à savoir la barrière d’énergie sans contrainte du glissement dévié requise par le modèle analytique développé par Malka-Markovitz and Mordehai (2019). Comme première application du code de DDD ainsi amélioré, les premiers cycles du régime de fatigue gigacyclique ont été simulés dans deux configurations différentes, à savoir une dislocation vis isolée et un réseau de douze dislocations mixtes. Il a été constaté que l’effet du glissement dévié sur une dislocation isolée était négligeable, alors qu’il produisait des changements irréversibles dans le cas d’un réseau de dislocations. Dans le but de simuler un nombre beaucoup plus important de cycles, une méthode de saut dans les cycles a finalement été proposée dans le dernier chapitre.

In order to investigate the Very High Cycle fatigue behavior of FCC metals using Discrete Dislocation Dynamics simulations, the present thesis proposes an improved model of cross-slip mechanism which has been implemented in the nodal DDD code NuMoDis (Drouet et al., 2014). The first step was to obtain the effect of stress on the activation enthalpy of cross-slip using discrete dislocation dynamics. The obtained results were compared with two modern cross-slip models, namely the numerical model of Kang et al. (2014) and the analytical model of Malka-Markovitz and Mordehai (2019). It was shown that both cross-slip models were in quantitative agreement with the results obtained using discrete dislocation dynamics simulations. Due to its easy calibration based on the unstressed energy barrier of cross-slip, the analytical model of Malka-Markovitz and Mordehai (2019) was preferred to be employed in the discrete dislocation dynamics code to effectively calculate the activation enthalpy of screw segments. The second step was to implement the recent cross-slip rate model proposed by Esteban-Manzanares et al. (2020) into the discrete dislocation dynamics code NuMoDis (Drouet et al., 2014). The obtained results were compared with the numerical values of the cross-slip rate estimated by Vegge et al. (2000) and Oren et al. (2017) using atomistic simulations. It was demonstrated that the proposed cross-slip modelling was able to reproduce atomistic results using only one free parameter, namely the unstressed energy barrier of cross-slip required to fit the analytical model developed by Malka-Markovitz and Mordehai (2019). As a first application of the benchmarked simulation methodology, the firsts cycles of the gigacycle fatigue regime were simulated two different configurations, namely one isolated screw dislocation and a network of twelve mixed dislocations. It was found that the effect of cross-slip on an isolated dislocation was negligible, whereas it produced irreversible changes in the case of a dislocation network. With the aim of simulating a much larger number of cycles, a jump-in-cycles method was finally proposed in the last chapter.