Hétérogénéités de déformation au cours du fluage transitoire de la glace polycristalline. Mesures par corrélation d'images numériques et modélisation

Elasto-viscoplastic behavior of polycrystalline ice

• Auteur / Autrice : Fanny Grennerat
• Direction : Olivier Castelnau, Maurine Montagnat Rentier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 14/12/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Muriel Veron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Castelnau, Maurine Montagnat Rentier, Andrea Tommasi, Pierre Vacher, Pierre Suquet, Carlo Nipoti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claude Fressengeas, Stephane Roux, Didier Gourier

Mots clés

Mots clés libres

Glace polycristalline

Microstructure

Corrélation d'images numériques

Modélisation FFT

Plasticity

Digital Image Correlation

Polycrysal

Ice

Résumé

Une technique de corrélation d’images numériques (DIC) a été adaptée à l’étuded’échantillons de glace polycristalline colonnaire, afin de caractériser le développementdes hétérogénéités de déformation à une échelle intragranulaire au cours du fluage transitoireen compression. Ces hétérogénéités sont dues à la grande anisotropie viscoplastiquedu cristal de glace (avec un seul plan de glissement facile pour les dislocations), qui estresponsable d’interactions fortes entre les grains voisins lorsque l’échantillon se déforme,et de la mise en place de fortes contraintes internes. L’orientation particulière des plans deglissement et la structure colonnaire des échantillons, sans gradient de microstructure dansl’épaisseur, permet de considérer la déformation plastique essentiellement dans le plan.Les champs de déformation mesurés en surface peuvent donc être considérés en premièreapproximation comme représentatifs de tout le volume de l’échantillon. Les orientationscristallographiques, et désorientations locales à l’échelle intragranulaire, ont également étémesurées avec un analyseur optique de texture, avant et après déformation.De très fortes localisations de la déformation sont mises en évidence par la DIC;les déformations équivalentes locales peuvent atteindre plus de dix fois la valeur macroscopique.La structure des motifs de localisation évolue peu durant le régime de fluagetransitoire et elle est caractérisée par des bandes de localisation qui traversent l’échantillonobliquement, sur des distances allant jusqu’à dix fois la taille des grains. La corrélationentre le facteur de Schmid du plan de glissement d’un grain et sa déformation locale esttrès faible : l’agencement local des grains et les interactions intergranulaires jouent doncun rôle primordial dans la distribution spatiale des déformations. A l’échelle du grain, lesfortes désorientations de réseau ont été associées aux composantes locales du déplacement.On a montré en particulier que les distorsions sous forme de ”bandes en genou” (ou kinkbands) étaient corrélées à un déplacement le long de l’axe c du grain, mesuré par DIC.Les microstructures expérimentales ont été implémentées dans un modèle plein champFFT qui simule le comportement élasto-viscoplastique des polycristaux (code CraFT).Les champs de déformation simulés présentent globalement les mêmes caractéristiquesque les champs expérimentaux. En particulier, la majorité des zones de localisation dela déformation sont bien reproduites, spatialement et en intensité. Cependant, il n’a pasété possible de reproduire le comportement macroscopique des échantillons à la décharge.La déformation retardée effective est d’un ordre de grandeur inférieure à celle mesuréeexpérimentalement. Il est probable que cette limitation soit liée à l’e↵et du champ descontraintes internes, généré par la structure des champs de dislocations, et qui n’a pas étépris en compte dans la loi de comportement.

A Digital Image Correlation (DIC) technique has been adapted to polycrystalline icespecimens in order to characterize the development of strain heterogeneities at an intra-granular scale during transient creep deformation. These heterogeneities are due to thestrong viscoplastic anisotropy of the ice single crystal (with only one easy glide planefor dislocations), inducing strong mechanical interactions between adjacent grains duringdeformation, and the establishment of strong internal stresses. Specimens exhibit a co-lumnar microstructure so that plastic deformation is essentially 2-D with few in-depthgradients, and therefore surface DIC analyses are representative for the whole specimenvolume. Local misorientations at the intragranular scale were also extracted from mi-crostructure analyses carried out with an automatic texture analyzer before and afterdeformation. Highly localized strain patterns are evidenced by the DIC technique. Localequivalent strain can reach values as high as one order of magnitude larger than the ma-croscopic average. The structure of the strain pattern does not evolve signicantly withstrain during the transient creep regime. Almost no correlation was measured betweenthe local strain and the Schmid factor of the slip plane of the underlying grain ; thishighlights the importance of the mechanical interactions between neighboring grains. Atthe grain scale, the strong lattice misorientations have been associated to the local com-ponents of the displacement. In particular, kink band distortions could be correlated to adisplacement along the c-axis measured by DIC. The experimental microstructures wereintroduced into a full-eld FFT model that simulates the behaviour of elasto-viscoplasticpolycrystals (CraFT code). The simulated deformation elds present globally the samecharacteristics as the experimental ones. Most of the localization bands are well repro-duced, spatially and quantitatively. However, we could not reproduce the macroscopicbehaviour of the specimens upon unloading. The predicted recovery eective strain is oneorder of magnitude lower than the measured one. This limitation might be linked withthe internal stress eld induced by the dislocation structure, which is not explicitly takeninto account in the local constitutive relation.