Instabilités matérielles dans les milieux architecturés : Plasticité de Piobert-Lüders et superélasticité

Material Instabilities in Architectural Media : Piobert-Lüders Plasticity and Superelasticity

• Auteur / Autrice : Antoine-Emmanuel Viard
• Direction : Justin Dirrenberger, Samuel Forest
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 14/03/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Monique Gasperini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Justin Dirrenberger, Samuel Forest, Karine Lavernhe-Taillard, Rémy Dendievel, Manuel François, Christelle Combescure, Cécile Davoine
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Karine Lavernhe-Taillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages à mémoire de forme

Matériaux architecturés

Dissertation universitaire

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Instabilités matérielles

Matériaux architecturés

Alliage à mémoire de forme

Lois de comportement

Méthode des éléments finis

Materiel instabilities

Architectured materials

Shape Memory Alloys

Behaviour laws

Finite elements method

Additive manufacturing

Résumé

Sollicités en traction, les aciers à faible teneur en carbone présentent une déformation plastique inhomogène. Cette instabilité, appelée bande de Piobert-Lüders, crée des fronts de déformation localisés qui se propagent dans la structure. Les matériaux superélastiques, comme le NiTi, se comportent également macroscopiquement de cette manière dans le domaine élastique. Jusqu'à présent, seules des géométries simples, tôles et tubes, ont été étu-diées. Cette thèse se concentre sur les matériaux architecturés et plus particulièrement sur les structures en treillis qui peuvent être définies comme une tessellation de cellules unitaires distribuées périodiquement dans l'espace. Cette classe de matériaux avancés tire de nouvelles propriétés mécaniques de son architecture.Nous étudions l'effet de l'architecture sur le comportement global de la structure entière. En particulier, comment les bandes interagissent avec un réseau et comment contrôler l'initiation et la propagation de la déformation localisée avec l'architecture. Un modèle de matériau élastoplastique [1,2] est utilisé dans ce travail pour simuler la formation et la propagation des bandes de Piobert-Lüders. Le modèle prend également en compte un cadre de grande déformation pour l'élasto-plasticité avec des conditions aux limites périodiques [3] afin de représenter le matériau architecturé. L'initiation et la propagation des instabilités du matériau dépendent de la géométrie et de l'orientation relative de la sollicitation. Des comportements de propagation et de non-propagation sont identifiés pour les bandes de localisation et mis en relation avec le type de géométrie. Les instabilités matérielles affectent le comportement mécanique de la structure dans la mesure où elles sont régies par l'architecture. Ces conclusions ont été comparées à des essais expérimentaux sur des échantillons d'acier ARMCO et de NiTi découpés au laser et architecturés.Le choix d'une architecture spécifique peut être fait dans le but de concentrer l'initiation de la plasticité dans une région spécifique et même d'éviter la plasticité d'une autre région, ouvrant ainsi la voie à des matériaux basés sur l'instabilité des matériaux.

Under tension low carbon steels exhibit inhomogeneous plastic deformation. This instabil-ity called Piobert-Lüders banding creates fronts of localized strain that propagate in the structure. Superelastic materials, such as NiTi, also behave macroscopically in this way in the elastic domain. To date, only simple geometries, sheets and tubes, have been studied. This thesis focuses on architectured materials and specifically lattice structures which can be defined as a tessellation of unit-cells periodically distributed in space. This class of ad-vanced materials draws new mechanical properties from its architecture.We investigate the effect of the architecture on the global behavior of the entire structure. Especially, how bands interact with a lattice and how to control initiation and propagation of localized strain with the architecture. An elastoplastic material model is used in this work to simulate the Piobert-Lüders band formation and propagation. The model also considers a large deformation framework for elasto-plasticity with periodic boundary conditions in order to represent the architectured material. Initiation and propagation of material instabilities depend on the geometry and the relative orientation of the solicitation. Propagating and non-propagating behaviors are identified for the localization bands and related to the type of geometries. Material instabilities affect the mechanical behavior of the structure as far as they are governed by the architecture. Those conclusions have been compared to experimental testing on laser cut architectured specimen of ARMCO steel and superelastic NiTi.The choice of a specific architecture can be made with the objective of concentrating initiation of plasticity in specific region and even of avoiding plasticity from other region, hence paving the way to materials instability-based materials.