Charactérisation des bandes de cisaillement et de la plasticité dans des verres modèles à l’échelle atomique

Characterization of shear bands and plasticity in model glasses at the atomic scale

• Auteur / Autrice : Armand Barbot
• Direction : Damien Vandembroucq, Sylvain Patinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/10/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Tarjus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Devincre, Kirsten Martens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Axelle Amon, Juergen Horbach

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fluage

Cisaillement (mécanique)

Verres métalliques

Mots clés libres

Matériaux amorphes

Simulations atomistiques

Bandes de cisaillement

Verres métalliques

Simulation numérique

Plasticité

Numerical simulation

Plasticity

Shear bands

Résumé

Produits pour la première fois dans les années soixante, les verres métalliques sont des matériaux prometteurs notamment grâce à leur grande limite d'élasticité. Cependant, ils sont aussi fragiles du fait de la formation de bandes de cisaillement dans lesquelles la plasticité se concentre dans les premiers stades de la déformation. Dans le cadre de cette thèse, nous réalisons des simulations atomistiques à l'aide d'un modèle binaire de verre de type Lennard-Jones. Pour relier la plasticité et la structure du matériau, nous utilisons un nouvel indicateur structurel local : la limite d'élasticité locale. Nous montrons que ces seuils plastiques locaux augmentent avec le niveau de relaxation des verres. De plus, nous établissons l'existence d'une unique distribution post-instabilité de seuils locaux, indépendante de l'état initial du matériau. Nous montrons ensuite que l'effet Bauschinger, une asymétrie du comportement mécanique induite par la plasticité est provoqué dans les verres par l'inversion de l'anisotropie de la distribution des seuils les plus faibles durant la décharge. En étudiant des systèmes de différentes tailles et à différents niveaux de relaxation nous constatons que la persistance de la plasticité, et donc la formation de bandes de cisaillement, dépend principalement de l'état de relaxation initial du système. Enfin, en considérant des verres stables, nous montrons l'existence d'une corrélation entre la position des bandes de cisaillement et les régions initialement plus molles. En continuant à déformer ces systèmes, nous mettons en évidence que les bandes de cisaillement s’élargissent en suivant un comportement diffusif.

First synthesized in the 60’s, the metallic glasses are a very promising class of material thanks to their very high yield strength. Yet, these materials are also very brittle due to the formation of persistent shear bands which concentrate plastic deformation. In this thesis, we perform atomistic simulations with a simple two-dimensional binary Lennard-Jones model glass. To link plasticity and the material structure, we use a novel structural indicator, the local yield stress. Through this measure, the material average local yield stress is shown to increase as the degree of relaxation increases. We also find the existence of a unique post-yield shear threshold distribution, independent on the initial state of the material. By the mean of an elementary model, the origin of the Bauschinger effect in amorphous solids (a plasticity-induced assymmetry of the mechanical behavior) is found to arise from the inversion of the low yield barriers population anisotropy during the unloading. Then, by considering systems of different sizes and degrees of relaxation the persistence of plasticity, and thus the formation of shear-bands, is shown to mostly depend on the degree of relaxation of the system. Finally, in well relaxed glasses, a correlation between the location of the shear band and the initial soft regions is shown. As further loading is applied on the material, a diffusive broadening of the shear band is observed.