Essais 4D multimodaux et simulations numériques appliqués à l'étude de la plasticité cristalline

4D multimodal experimental testing and numerical simulations applied to the study of crystal plasticity

• Auteur / Autrice : Clément Ribart
• Direction : Henry Proudhon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 15/01/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Doquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henry Proudhon, Sophie Berveiller, Manas Vijay Upadhyay, Stéphane Berbenni, Wolfgang Ludwig, Damien Texier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Berveiller, Manas Vijay Upadhyay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux -- Propriétés plastiques

Tomographie

Diffraction

Mots clés libres

Plasticité Cristalline

Imagerie de Microstructure par Diffraction

Tomographie par Contraste de Diffraction

Dislocations Géométriquement Nécessaires

Essais in situ

Multimodalité

Solveurs FFT

Crystal plasticity

Diffraction Microstructure Imaging

Diffraction Constrast Tomography

Geometrically Necessary Dislocations

In situ testing

Multimodality

FFT based solvers

Résumé

Comprendre les liens étroits entre microstructure et propriétés est un objectif majeur pour la conception de matériaux de structure. Les métaux présentent une organisation polycristalline hétérogène qui pilote leur performance, d’où la nécessité d’accéder aux quantités mécaniques d’intérêt à l’échelle granulaire, voire intragranulaire. Un large éventail de techniques de caractérisation permet désormais d’observer ces échelles. Des avancées récentes sur les techniques RX, en synchrotron ou en laboratoire, ont contribué à l’essor des expériences multimodales, notamment par la réalisation d’essais in situ en volume non destructifs. En particulier la Tomographie par Constraste de Diffraction (DCT), appartenant à la famille des techniques d’Imagerie de Microstructure par Diffraction (DMI), permet de reconstruire des cartographies 3D de grains avec leurs orientations associées et une morphologie fidèle de la réalité. Les jumeaux numériques obtenus peuvent être utilisés directement pour des simulations. Cette convergence améliorée des modalités expérimentales ou numériques permet d’envisager des jeux de données massifs et unifiés. Cela constitue une opportunité pour mieux appréhender la complexité des mécanismes physiques. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer, sur des cas concrets, à démontrer le potentiel de cette approche. Nous introduisons deux jeux de données multimodaux in situ appliqués à l’étude des premiers stades de la plasticité cristalline sur un titane commercialement pur. Nous évaluons d’abord les performances des techniques EBSD, DCT synchrotron et LabDCT utilisées. Une solution de recalage statistique permet de comparer rigoureusement ces modalités. Des mécanismes caractéristiques de plasticité sont ensuite statistiquement mis en évidence en surface et en volume (rotation des grains, glissement plastique et transmission intergranulaire, accumulation de dislocations GND aux joints de grains), ainsi que la formation de sous-grains, observation inédite uniquement permise par mesure DCT. La simulation FFT réalisée sur un volume DCT a permis en outre de valider les performances du modèle de plasticité cristalline continu sauf au voisinage des précipités non modélisés. Le dernier chapitre présente une étude numérique complémentaire des performances de l’algorithme LabDCT, commercialisé parXNovo Technology, sur une microstructure à l’état déformé. Cette étude s’inscrit dans la dynamique d’étendre les capacités de reconstruction des techniques DMI. Nous avons établi des performances satisfaisantes de l’algorithme pour suivre les rotations des grains au cours de la déformation. Par contre le programme n’est pas capable de reconstruire un champ intragranulaire d’orientations fiables.

Establishing microstructure-property relationships is a critical challenge for the design of structural materials. Metals dis-play an heterogeneous polycrystalline organisation which drives their performance, hence the need to access to themechanical quantities of interest at the grain and sub-grain scales. A variety of characterization techniques now givesaccess to those levels of details. Recent progress in synchrotron and laboratory X-ray techniques have contributed to therise of multimodal experiments, especially by allowing non destructive in situ testing. In particular, Diffraction ContrastTomography (DCT), which belongs to the Diffraction Microcrostructure Imaging (DMI) techniques family, allows the re-construction of 3D grain maps with their associated orientations field and actual morphology. These digital twins canbe used directly for simulations. Improved convergence of experimental and numerical modalities leads to unified andmassive databases. This represents an opportunity to unlock the understanding of the complex physical mechanisms atstake. The main objective of the present work is to contribute, with concrete use cases, to demonstrate the potential ofthis approach. We introduce two in situ multimodal datasets applied to incipient crystal plasticity on a commercially puretitanium. First, we assess the performance of the EBSD, synchrotron DCT and LabDCT techniques used. A statisticalregistration technique allows to compare rigorously these modalities. Typical plasticity mechanisms are observed at thesurface and in the volume (grains rotation, plastic slip and intragranular transmission, GND dislocations accumulation atgrain boundaries), as well as the formation of sub grains, an unprecedented observation only enabled by the DCT. Inaddition, the FFT simulation performed on a DCT volume allowed us to validate the performance of the continuous crystalplasticity model, excepted in the vicinity of the non modelized precipitates. The last chapter presents a complementarynumerical study of the performance of the LabDCT algorithm, commercialized by XNovo Technology, on a microstructurein the deformed state. This study lies in the scope of extending the reconstruction applications of DMI techniques. Weshowed good performance of the algorithm for tracking grains rotations during the deformation. On the other hand, the program is not able to reconstruct a reliable intragranular orientation field.