Développement d'une méthode de corrélation d'images numériques adaptée aux mesures cinématiques dans les polycristaux : application à l'identification de paramètres de lois de plasticité cristalline

Development of a digital image correlation procedure adapted for kinematic measurements in polycrystals : application to the identification of crystal plasticity laws parameters

• Auteur / Autrice : Adrien Guery
• Direction : François Hild
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 14/11/2014
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Technologie / LMT
• Jury : Président / Présidente : Pierre Suquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Aubin, Jérôme Weiss, Felix Latourte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Crépin, Marc Geers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux -- Propriétés plastiques

Traitement d'images -- Techniques numériques

Mots clés libres

Corrélation d'images numériques

Identification

Plasticité cristalline

Digital image correlation

Identification

Crystal plasticity

Résumé

Une méthode de corrélation d'images numériques adaptée aux mesures cinématiques dans les polycristaux a été développée dans ce travail, dans le but d'identifier les paramètres de lois de plasticité cristalline. Des mesures de champs 2D sont réalisées à la surface d'un polycristal d'acier austénitique 316LN, à partir d'une série d'images acquises au Microscope Electronique à Balayage (MEB) au cours d'un essai de traction monotone in-situ, et pour différentes tailles moyennes de grains. Pour permettre la corrélation d'images, un mouchetis adapté à l'échelle microscopique est au préalable déposé à la surface de l'éprouvette par une technique de microlithographie. Les distorsions spatiales liées à l'imagerie MEB et à la technique de marquage sont quantifiées. La connaissance de la microstructure en surface par diffraction des électrons rétrodiffusés permet de réaliser les mesures cinématiques en utilisant un maillage éléments finis non-structurés s'appuyant sur les joints de grains ou de macles. Ce même maillage est ensuite utilisé pour la simulation de chaque essai de traction sur la microstructure expérimentale, avec comme conditions aux limites les déplacements nodaux mesurés au cours du temps sur les bords du domaine. Deux lois de plasticité cristalline d'approche locale sont alors considérées pour simuler les hétérogénéités des déformations observées : la loi de Méric-Cailletaud et la loi DD-CFC développée à EDF R&D et davantage basée sur la physique. Des comparaisons entre la mesure et la simulation sont menées, en termes de déplacements, de déformations, mais aussi de systèmes de glissement activés. Finalement, une méthode inverse d'identification des paramètres de loi est proposée, se basant sur le recalage à la fois des champs de déplacements locaux et du comportement homogène du matériau. Les paramètres de l'écrouissage isotrope de la loi de Méric-Cailletaud sont ainsi identifiés pour différentes tailles moyennes de grains. Il est également montré que certain coefficients de la matrice d'interaction entre systèmes de glissement peuvent être estimés.

A digital image correlation procedure adapted to kinematic measurements in polycrystals has been developed in this work to identify parameters of crystal plasticity laws. 2D kinematic measurements are performed on the surface of 316LN austenitic steel polycrystals from a sequence of images acquired using a Scanning Electron Microscope (SEM) during in-situ tensile tests for various mean grain sizes. To enable digital image correlation, a speckle adapted to the microscopic scale is deposited onto the specimen surface by a microlithography process. Spatial distortions resulting from both patterning and SEM imaging techniques are quantified. The knowledge of the microstructure at the surface by electron backscattered diffraction allows for kinematic measurements to be performed using an unstructured finite element mesh taking as support the grain or twin boundaries. This same mesh is then used for the simulation of each tensile test on the experimental microstructure with the measured nodal displacements prescribed as boundary conditions with their time evolution. Two local crystal plasticity laws are considered to simulate the observed strain heterogeneities, namely, the Méric-Cailletaud model and the DD-CFC law developed at EDF R&D. Comparisons between measurements and simulations are performed in terms of displacements, strains but also activated slip systems. Last, an inverse identification method is proposed for the identification of the sought constitutive parameters based on both the local displacement fields and the material homogenized behavior. The parameters associated with isotropic hardening of Méric-Cailletaud law are thus identified for various mean grain sizes. It is also shown that some of the interaction parameters of slip systems can be estimated.