Plasticité cristalline : Equations de transport et densités de dislocations

par Pierre-Louis Valdenaire

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Alphonse Finel et de Samuel Forest.

Soutenue le 01-02-2016

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) , Laboratoire d'étude des microstructures / LEM - ONERA - CNRS (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Marc Geers.

Le jury était composé de Alphonse Finel, Samuel Forest, Yann Le Bouar.

Les rapporteurs étaient Istvan Groma, Renald Brenner.


  • Résumé

    Le comportement mécanique des alliages métalliques industriels, notamment ceux utilisés dans le domaine de l’aéronautique, est contrôlé par la présence de différents types de précipités et par la nucléation et propagation de défauts cristallins tels que les dislocations. La compréhension du comportement de ces matériaux nécessite des modèles continus afin d’accéder à l’échelle macroscopique. Cependant, même aujourd’hui, les théories conventionnelles de la plasticité utilisent des variables mésoscopique et des équations d’évolution qui ne reposent pas sur la notion de transport de dislocations. En conséquence, ces théories sont basées sur des lois phénoménologiques qu’il est nécessaire de calibrer pour chaque matériau et chaque application. Il est donc souhaitable d’établir le lien entre les échelles micro et macro afin de générer une théorie continue de la plasticité déduite analytiquement des équations fondamentales de la dynamique des dislocations. L’objet de cette thèse est précisément de contribuer à l’élaboration d’une telle théorie. La première étape a consisté à établir rigoureusement la procédure de changement d’échelle dans une situation simplifiée. Nous avons alors abouti à un système d’équations de transport hyperboliques sur des densités de dislocations contrôlées par des contraintes locales de friction et de backstress qui émergent du changement d’échelle. Nous avons ensuite développé une procédure numérique pour calculer ces termes et analyser leur comportement. Finalement, nous avons développé un schéma numérique efficace pour intégrer les équations de transport ainsi qu’un schéma spectral multi-grille pour résoudre l’équilibre élastique associé à un champ de déformation propre quelconque dans un milieu élastiquement anisotrope et inhomogène.

  • Titre traduit

    Crystal plasticity : Transport equation and dislocation density


  • Résumé

    The mechanical behavior of industrial metallic alloys, in particular those used in the aerospace industry, is controlled by the existence of several types of precipitates and by the nucleation and propagation of crystalline defects such as dis- locations. The understanding of this behavior requires continuous models to access the macroscopic scale. However, even today, conventional plasticity theories use mesoscopic variables and evolution equations that are not based on the transport of dislocations. Therefore, these theories are based on phenomenological laws that must be calibrated for each material, or, for each specific applications. It is therefore highly desirable to make link between the micro and macro scales, in order to derive a continuous theory of plasticity from the fundamental equations of the dislocation dynamics. The aim of this thesis is precisely to contribute the elaboration of such a theory. The first step has consisted to rigorously establish a coarse graining procedure in a simplified situation. We have then obtained a set of hyperbolic transport equations on dislocation densities, controlled by a local friction stress and a local back-stress that emerge from the scale change. We have then developed a numerical procedure to compute these local terms and analyze their behavior. Finally, we have developed an efficient numerical scheme to integrate the transport equations as well as a multigrid spectral scheme to solve elastic equilibrium associated to an arbitrary eigenstrain in an elastically heterogeneous and anisotropic medium.


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