Comportement mécanique et évolutions microstructurales sous compression quasi-statique et dynamique de polycristaux CFC et HC : effet de la taille des grains

par Abdelouahab Ouarem

Thèse de doctorat en Mécanique option matériaux

Sous la direction de Guy Dirras.

Soutenue en 2012

à Paris 13 , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux (LSPM) (Villetaneuse, Université Paris 13) (laboratoire) .

Le jury était composé de Akrum Abdul-Latif, Salah Ramtani, Hervé Couque, David Tingaud.

Les rapporteurs étaient Kei Ameyama, Joël Douin.


  • Résumé

    Le présent travail est consacré à l'analyse de l’effet de la vitesse de déformation et de la taille des grains sur les mécanismes de plasticité activés lors de la déformation plastique dans deux types de matériaux polycristallins: (i) le zinc (Zn), de structure hexagonale compacte, et ayant des tailles de grains dans le domaine micrométrique (300 µm) et dans le domaine des grains ultrafins (200 nm). Ces matériaux sont déformés en compression quasi-statique et dynamique (vitesse de déformation atteignant 10⁵ s⁻¹) à l’aide de bars de Hopkinson (DIHPB) ; (ii) le nickel (Ni) électrodéposé à grains fins, de structure cubique à faces centrées ayant une taille moyenne de grains de l’ordre de 4 µm, également déformé en compression dynamique (DIHPB). Des différences significatives en termes de micro-mécanismes de déformation dans les deux régimes ont été mises en évidence: (i) pour des faibles vitesses de déformation et jusqu'à ~10² s⁻¹, la déformation a lieu principalement par glissement des dislocations à la fois dans Ni et dans Zn à grains nanométriques. Toutefois, un maclage important est observé dans le cas des échantillons Zn à grains micrométriques, indiquant ainsi un effet de la taille des grains sur le maclage; (ii) Dans le régime dynamique (> 10³ s⁻¹) la déformation plastique induit une augmentation de la température dans les échantillons (Ni ou Zn). Cette augmentation de la température est suffisamment importante pour induire à son tour la restauration et/ou la recristallisation dynamique. Comme conséquence, deux phénomènes sont observés en fonction du matériau: pour Ni, la microstructure et les propriétés mécaniques résultant sont similaires à celles de l'état initial, dominé par des macles de recuit et des grains équiaxes et orientés de façon aléatoire. Pour Zn un affinage important de la taille des grains est observé (de 300 µm à 6 µm) qui s’accompagne au passage de l’inhibition du phénomène de maclage. Pour clarifier ce point, des investigations complémentaires ont été effectuées sur des échantillons de Ti de pureté commerciale (CP-Ti) à grains micrométriques dans les deux régimes quasi-statique et dynamique. Les résultats montrent que le maclage est ici le principal mécanisme de déformation. La densité des macles est d’autant plus élevée que la vitesse de déformation est importante et les grains plus gros. Ces résultats confirment l’influence l'effet de la taille des grains sur le maclage mécanique dans les matériaux HC. Par contre, il a été observé que l'effet de la vitesse de déformation sur le maclage dans le régime dynamique est différent selon qu’il s’agisse de Zn ou de Ti. Dans le premier cas, il est probable que le faible niveau du rapport T/T f joue un rôle clé, en induisant le recristallisation dynamique dans les conditions expérimentales étudiées ici.

  • Titre traduit

    Mechanical behavior and microstructural evolutions under quasi-static and dynamic compression loading of FCC and HCP polycrystals: effect of grain size.


  • Résumé

    The present work is devoted to the analysis of the strain rate and grain size effects on the deformation mechanism activated during plastic deformation of two polycrystalline materials: (i) zinc (Zn), a crystal with hexagonal compact packing structure, having grain size in the micro and ultrafine grain ranges (~ 300 µm and 200 nm, respectively), loaded under quasi-static and dynamic compression conditions, up to a strain rate of ~ 10⁵ s⁻¹ (by use of a Direct Impact Hopkinson Pressure Bars (DIHPB); (ii) electrodeposited nickel (Ni), a face-centered cubic structure with grain size of 5 µm deformed in compression under dynamic conditions using DIHPB. Significant differences in terms of micro-mechanisms of deformation in the two regimes were found: (i) At lower strain rates, up to ~ 10² s⁻¹, dislocation-based plasticity was observed in both Ni and Zn. Extensive twinning occurred only in the case of micrometer grain-sized Zn, indicating a grain size dependence of twinning; (ii) In the dynamic regime (> 10³ s⁻¹) plastic deformation induced a significant increase of the temperature within the samples. This increase of temperature was significant enough to induce recovery and/or dynamic recrystallization. As consequence two phenomena were observed depending on the structure under investigation: for Ni, the resulting microstructure and mechanical properties were similar to that of the initial state, dominated by annealing twins and equiaxed and randomly oriented grains. For micro-grained Zn a tremendous grain refining was found. As a consequence, twinning was inhibited. To clarify this point, additional investigations were carried out on coarse-grained CP-Ti deformed in both quasi-static and dynamic regimes. It was found that twinning was the main deformation mechanism. Indeed, the larger the strain rate and grains size, the larger the twin density. On the one hand, these results clearly demonstrate the grain size effect on the occurrence of mechanical twinning in HCP materials. On the other hand, the effect of the strain rate on twinning was found to depend on the material under investigation. Compared to Ti, the lower homologous temperature T/T m of Zn probably plays a key role, as it may induce dynamic recovery/recrystallization as far as the present experimental conditions are concerned.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (110 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'en 2014
  • Annexes : Bibliogr. p.109-110

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  • Bibliothèque : Université Paris 13 (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis). Bibliothèque universitaire.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TH 2012 025
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