Caractérisation et modélisation du comportement dynamique des verres métalliques

Characterization and modelling of the dynamical behaviour of metallic glasses

• Auteur / Autrice : Marine Bayard
• Direction : Habibou Maitournam, Marc Blétry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 02/09/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Sangleboeuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Couque, Jean-Jacques Blandin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Essais dynamiques

Verres métalliques

Mots clés libres

Verres métalliques

Caractérisation structurale

Essais dynamiques

Modélisation par éléments finis

Cristallisation partielle

Comportement hétérogène

Metallic glasses

Structural characterization

Dynamical tests

Finite element modelling

Partial crystallization

Heterogeneous behaviour

Résumé

Depuis leur découverte dans les années 1960, les verres métalliques ont suscité un intérêt grandissant pour leurs propriétés mécaniques exceptionnelles telles que leur résistance mécanique, leur dureté et une grande déformation élastique. Parmi les différents systèmes amorphisables existants, ceux à base zirconium ont fait l’objet de nombreux développements allant jusqu’à l’exploitation industrielle. Les phénomènes de déformation et de changements structuraux qui se produisent au sein des verres métalliques ne sont pas encore complètement compris. Pour des applications futures (transports, défense…), il est nécessaire d'appréhender et de comprendre les mécanismes de déformation et de rupture de ces matériaux soumis à différents types de chargements.Le travail présenté dans ce manuscrit vise à étudier le comportement hétérogène de ces matériaux dans une large gamme de sollicitations. Une approche expérimentale, basée sur des essais aux barres d’Hopkinson dans différentes configurations et des caractérisations DRX, DSC et MEB des éprouvettes avant et après essais, a été mise en place. Elle a permis d’identifier les mécanismes physiques en jeu dans la réponse mécanique en régime dynamique de ces matériaux, à l’état amorphe, pur et partiellement cristallisé.Le phénomène de localisation qui se produit dans les verres métalliques a été étudié par une modélisation par éléments finis. Une formulation élastoviscoplastique en multiaxial, basée sur la théorie des volumes libres, a été proposée dans ce travail pour modéliser les processus d'initiation des bandes de cisaillement qui contribuent à la plasticité macroscopique. Les trois phénomènes (diffusion, création du fait de la déformation et relaxation structurale) susceptibles de modifier la concentration locale de volume libre ont été analysés.

Since their discovery in the 1960s, metallic glasses have attracted substantial interest for exhibiting outstanding mechanical properties such as high strength, hardness and large elastic deformation. Among the existing different metallic glasses, the zirconium based alloys have been subjected to numerous developments up to their use in the industrial scale. Mechanical and structural phenomena in metallic glasses are not yet completely understood. For future applications (transport, defense, etc.), the mechanisms of deformation and failure under different loading conditions must be fully identified.The present work aims at studying the heterogeneous behaviour of these materials under a wide range of loading conditions. An experimental approach, based on Hopkinson bar tests with different configurations and XRD, DSC and SEM characterizations of the specimens before and after testing, has been set up. It made it possible to identify the physical mechanisms at stake in the mechanical response in dynamic regime of these materials, in the pure amorphous and partially crystallized states.The localization phenomenon has been studied by finite element modeling. Based on the free-volume theory, a multiaxial elastoviscoplastic formulation has been proposed in this work to model the processes of shear band initiation that contribute to macroscopic plasticity. The three processes (diffusion, stress-driven creation and structural relaxation) that can change the local free volume concentration have been analysed.