Mesure des propriétés micro-mécaniques des matériaux à haute vitesse de déformation par essais de compression de micropiliers

Investigation of high strain rate micromechanical properties of materials using the micropillar compression testing

• Auteur / Autrice : Ame Adogou
• Direction : Guillaume Kermouche, Marc Fivel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingénierie
• Date : Soutenance le 19/09/2024
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Science des Matériaux et des Structures
• Jury : Président / Présidente : Véronique Aubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Kermouche, Marc Fivel, Véronique Aubin, Benoît Merle, Jean-Pierre Guin, Jean Lin Dequiedt, Szilvia Kalacska, Gaylord Guillonneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Merle, Jean-Pierre Guin
• DOI : 10.70675/f2dbb038z54aaz4fbcz85f2z31313e47d56d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sélénium

Cuivre

Contraintes (mécanique)

Dislocations dans les métaux

Mots clés libres

Micropilier

Vitesse de déformation

Dislocation

Microcisaillement

Cuivre

Fer

Silice

Sélénium

Micropillar

Strain rate

Dislocation

Microshear

Copper

Iron

Silica

Selenium

Résumé

Les essais micromécaniques à haute vitesse de déformation ont longtemps été limités en raison des énormes défis liésau développement de dispositifs expérimentaux appropriés et des multiples difficultés rencontrées lors de la réalisationde ce type d'essais.L'objectif principal de ce projet était de réaliser une avancée dans le domaine de la micromécanique grâce audéveloppement des essais de compression de micropiliers à haute vitesse de déformation jusqu'à 1000 s^(-1).Ce travail est organisé en deux parties principales. La 1ère partie est consacrée à l'étude de la sensibilité à la vitesse dedéformation des monocristaux de cuivre et de fer par compression de micropiliers. En utilisant un modèle analytiquede prédiction de la vitesse des dislocations, l'évolution de la limite d'élasticité en fonction de la vitesse de déformationa été étudiée et la sensibilité à la vitesse de déformation du matériau a été caractérisée sur toute la gamme de vitessesde déformation explorée. De plus, des simulations 3D de la dynamique discrètes des dislocations a été réalisée pour lecuivre.Dans la 2ème partie, une nouvelle géométrie de pilier pour les essais à plus haute vitesse de déformation est proposée.Hérité de l'échantillon macroscopique ''Shear compression specimen'', un échantillon à taille microscopique a étédéveloppé et validé sur la silice et le sélénium amorphes. Grâce à des essais de compression et à des simulations paréléments finis, la géométrie finale, après amélioration, a prouvé qu'elle permettait une démultiplication de la vitessede déformation, une investigation des propriétés en cisaillement et des essais à large déformation des matériaux.

Understanding the mechanical behavior of materials at high strain rate not only at macro scale but also at micro scaleis vital for several engineering applications. However, micromechanical testings at high strain rates have been for longtime limited due to challenges in the development of suitable experimental devices and the difficulties encounteredduring such tests.The main objective of this project was to make an advance in the field of high strain rate micromechanics. Thanks tothe development of high strain rate micropillar compression test, strain rate sensitivity investigation was carried outon different materials with tests up to 1000 s^{-1}.This works was subdivided into two main parts. In the first part, the strain rate sensitivity of copper and iron singlecrystals was investigated subsequent to the development of the experimental set-up. Using an analytical modelof prediction of dislocation speeds, the evolution of the yield stress with the strain rate has been approached in thecase of copper and the strain rate sensitivity of the material has been characterized continuously all over the strainrate ranges explored. In addition, 3D Discrete Dislocation Dynamics simulation has been implemented for copper.In the second part of the project we investigated a new specimen geometry for higher strain rates testing. Inheritedfrom the macroscopic Shear Compression Specimen, microscopic shear compression specimen has been developedand validated on amorphous silica and selenium. This specimen was designed to be machinable by Focused Ion Beamand to be easily tested on standard micromechanical devices. Through experimental compression tests and finiteelement simulations, the final geometry, after improvements, has proven to allow strain rate demultiplication, shearproperties investigation and large strain testing.