Simulation de la localisation de la déformation plastique par dynamique des dislocations discrètes et plasticité cristalline

Simulation of plastic strain localization by Discrete Dislocation Dynamics and crystal plasticity

• Auteur / Autrice : Baptiste Joste
• Direction : Henry Proudhon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Brochard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henry Proudhon, Marc Fivel, Marc Legros, Amine Benzerga, Lionel Gélébart, Riccardo Gatti, Benoît Devincre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Fivel, Marc Legros

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Dislocations dans les cristaux

Éléments finis, Méthode des

Polycristaux

Mots clés libres

Localisation

Dislocations

Polycristaux

Déformation plastique

Dynamique des dislocations discrètes

Méthode des éléments finis

Localization

Dislocations

Polycrystals

Plastic deformation

Discrete dislocation dynamics

Finite element method

Résumé

Comprendre les processus de déformation conduisant à la défaillance des matériaux polycristallins est l'un des principaux défis de la science des matériaux. A ce jour, les mécanismes de localisation de la déformation plastique en bandes de glissement et la propagation de la déformation à travers un agrégat polycristallin ne sont pas entièrement compris. L'investigation de tels phénomènes est l'objectif du projet ANR 3DiPolyPlast. Dans l'approche de simulation multi-échelles proposée, des simulations de Dynamique des Dislocations Discrètes (DDD) seront utilisées afin de mieux modéliser le comportement individuel et collectif des dislocations à l'échelle mésoscopique. La majorité des simulations réalisées sont basées sur un couplage dit faible entre la DDD et la Méthode des Eléments Finis (MEF), dans lequel le champ de contrainte issu d'un calcul MEF en élasticité est utilisé comme condition initiale de chargement intragranulaire. Cette hypothèse permet de réaliser une étude plus systématique et physiquement justifiée des différents mécanismes ayant lieu durant la déformation plastique au sein de la microstructure de dislocation. Les simulations réalisées montrent le rôle joué par la microstructure polycristalline sur la localisation de la déformation plastique, notamment à travers les incompatibilités de déformations élastiques entraînant l'apparition de concentrations de contraintes intragranulaires. A l'aide de ces simulations, nous montrons qu'au cours de la déformation plastique, certains mécanismes comme le cross-slip ou les annihilations colinéaires permettent à la déformation plastique de s'initier dans certaines régions du grain. L'observation méticuleuse de cette microstructure de dislocation nous a permis de reconsidérer une des hypothèses initiales de nos simulations DDD, l'impénétrabilité des joints de grains. De fait, le nombre de dislocations s'empilant aux joints de grains est important et les contraintes calculées en tête de ces empilements sont de l'ordre du GPa. Une partie du travail présenté dans ce manuscrit a donc été dédié à l'implémentation d'une règle locale permettant de modéliser les mécanismes de réactions entre dislocations et joints de grains au cours de la déformation plastique. Par ailleurs, nous avons montré que ces mécanismes de réactions étaient à l'origine d'une forte diminution de l'écrouissage cinématique entraînant dans des régions locales du grain la présence d'un glissement plastique intense. D'autres calculs ont été réalisés dans le cadre du modèle discret-continu (MDC) qui couple les calculs d'éléments finis de plasticité cristalline effectués sur l'agrégat polycristallin complet avec des simulations DDD. Cette modélisation permet une description plus précise des mécanismes de déformation plastique et représente un atout majeur dans l'étude du rôle des interactions entre grains, notamment durant la déformation plastique de ces derniers. Ces simulations se révèlent aussi être une source d'informations afin de mieux comprendre les contrastes de diffraction observés expérimentalement en topo-tomographie rayons X.

Understanding the deformation processes leading to the failure of polycrystalline materials is one of the major challenges in materials science. To date, the mechanisms of plastic strain localization into slip bands and the propagation of deformation through a polycrystalline aggregate are not fully understood. Investigating such phenomena is the aim of the 3DiPolyPlast ANR project. In the proposed multi-scale simulation approach, Discrete Dislocation Dynamics (DDD) simulations will be used to better model the individual and collective behavior of dislocations at the mesoscopic scale. The majority of the simulations carried out are based on a so-called weak coupling between DDD and the Finite Element Method (FEM), in which the stress field resulting from a FEM calculation in elasticity is used as the initial intragranular loading condition. This assumption enables a more systematic and physically justified study of the various mechanisms taking place during plastic deformation within the dislocation microstructure. The simulations carried out show the role played by the polycrystalline microstructure on the localization of plastic deformation, notably through elastic deformation incompatibilities leading to the appearance of intragranular stress concentrations. Using these simulations, we show that during plastic deformation, certain mechanisms such as cross-slip or collinear annihilation allow plastic deformation to initiate in certain regions of the grain. Meticulous observation of this dislocation microstructure has enabled us to reconsider one of the initial assumptions of our DDD simulations, the impenetrability of grain boundaries. In fact, the number of dislocations stacking up at grain boundaries is significant, and the stresses calculated at the head of these stacks are of the order of the GPa. Part of the work presented in this manuscript has therefore been dedicated to the implementation of a local rule to model the reaction mechanisms between dislocations and grain boundaries during plastic deformation. In addition, we have shown that these reaction mechanisms are responsible for a sharp decrease in kinematic strain hardening, leading to intense plastic slip in local regions of the grain. Further calculations were carried out within the framework of the discrete-continuous model (DCM), which couples crystal plasticity finite element calculations carried out on the complete polycrystalline aggregate with DDD simulations. This modeling provides a more precise description of plastic deformation mechanisms, and represents a major asset in the study of the role of interactions between grains, particularly during their plastic deformation. These simulations are also proving to be a source of information for better understanding the diffraction contrasts observed experimentally in X-ray topo-tomography.