Experimental and theoretical studies of incompatibility and dislocation pile-up stresses at grain boundaries accounting for elastic and plastic anisotropies

par Xiaolei Chen

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Le président du jury était Benoît Devincre.

Le jury était composé de Christian Motz, Thiebaud Richeton, Thomas Böhlke, Stefan Diebels, Céline Gérard.

Les rapporteurs étaient Thomas Böhlke, Stefan Diebels.

  • Titre traduit

    Études expérimentale et théorique des contraintes d'incompatibilités et d'empilement de dislocations aux joints de grains avec prise en compte des anisotropies élastique et plastique


  • Résumé

    Les propriétés mécaniques des matériaux métalliques dépendent fortement du comportement des dislocations, telles que la densité, la distribution, la nucléation et la mobilité des dislocations ainsi que les interactions entre les dislocations et les joints de grain (JDGs). L'objectif principal de cette thèse est d'étudier les effets des anisotropies élastiques et plastiques sur l'interaction de dislocations-JDG en considérant les propriétés complexes des JDGs, les effets de désorientation et les effets de surfaces libres. Pour atteindre cet objectif, une approche analytique basée sur le formalisme L-E-S a été étudiée, qui fournit les champs élastiques des dislocations droites simples et des différents empilements de dislocations aux JDGs dans des milieux homogènes anisotropes, des demi-espaces, des bi- et tri-matériaux tout en considérant éventuellement les effets de surface libre. La configuration tri-matériaux permet d'envisager une épaisseur non nulle de l'ordre du nanomètre et un tenseur de rigidité spécifique pour la région du JDG. La configuration à deux surfaces libres a été utilisée pour étudier les effets de taille. Les effets de l'élasticité anisotrope, de l'orientation cristallographique, de la rigidité du JDG et des surfaces libres ont été étudiés dans le cas d'une seule dislocation et des empilements de dislocations dans un bi-cristal de Ni avec l'analyse des forces images et de la longueur d'empilements, respectivement. En parallèle, des essais in-situ de compression sur des bi-cristaux de Ni et de α-laiton de taille micronique réalisés par usinage au FIB et des observations couplant MEB, AFM et EBSD ont été effectués. L'essai de compression a été réalisé avec une faible déformation. Ensuite, les variations spatiales de la hauteur des marches dûs aux bandes de glissement localisées se terminant au JDG ont été mesurées par AFM pour déterminer la distribution du vecteur de Burgers dans l'empilement de dislocations. Cette distribution a ensuite été simulée par la configuration de l'empilement de dislocations dans des bi-cristaux avec les paramètres mesurés expérimentalement en considérant l'effet de la désorientation, de la rigidité du JDG, des surfaces libres, des contraintes d'incompatibilités et de la force critique. En particulier, les contraintes d'incompatibilités ont été analysées à l'aide de simulations CP-MEF et l'épaisseur du JDG a été simulée à l'aide de simulations atomistique avec LAMMPS.


  • Résumé

    The mechanical properties of metallic materials strongly depend on the dislocation behavior, such as the density, the distribution, the nucleation and the mobility of dislocations as well as the interactions between dislocations and grain boundaries (GB). The main objective of this thesis is to study the effects of elastic and plastic anisotropies on the dislocation-GB interaction considering complex properties of GBs, misorientation effects and free surfaces effects. To reach this objective, an analytical approach based on the L-E-S formalism was investigated, which provides the elastic fields of single straight dislocations and different dislocation pile-ups at GBs in anisotropic homogeneous media, half-spaces, bi- and tri-materials while possibly considering free surface effects. The tri-material configuration allows considering a non-zero thickness in the nanometer range and a specific stiffness tensor for the GB region. The configuration with two free surfaces was used to study size effects. The effects of anisotropic elasticity, crystallographic orientation, GB stiffness and free surfaces were studied in the case of a single dislocation and dislocation pile-ups in a Ni bi-crystals with image forces and pile-ups length analyses, respectively. In parallel, in-situ compression tests on micron-sized Ni and α-Brass bi-crystals produced from FIB machining and observations coupling SEM, AFM and EBSD were performed. The compression test was performed with a low strain. Then, step height spatial variations due to localized slip bands terminating at GB were measured by AFM to determine the Burgers vector distribution in the dislocation pile-up. This distribution was then simulated by dislocation pile-up configuration in bi-crystals with the experimentally measured parameters by considering the effect of misorientation, GB stiffness, free surfaces, incompatibility stresses and critical force. In particular, the incompatibility stresses were analyzed using CPFEM simulations and the thickness of GB was simulated using atomistic simulations with LAMMPS.


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