Effets polycristallins sur l'interaction entre déformation et endommagement : mesures 4D et calculs éléments-finis de microstructures

Polycrystalline effects on the interaction between deformation and damage : 4D measurements and finite element calculations of microstructures

• Auteur / Autrice : Maryse Gille
• Direction : Thilo Morgeneyer, Henry Proudhon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• 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 : Éric Maire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thilo Morgeneyer, Henry Proudhon, Odd Sture Hopperstad, Pierre Lhuissier, Laurent Delannay, Jette Oddershede, Fanny Mas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Odd Sture Hopperstad, Pierre Lhuissier
• DOI : 10.70675/f0956af9z0966z4eaczb1a5z7331fcba50a0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux -- Propriétés plastiques

Tomographie

Métaux -- Formabilité

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Alliage d'aluminium

Formabilité

Déformation plane

Hétérogénéité de déformation

Tomographie par contraste de diffraction (DCT)

Simulation par éléments-Finis en plasticité cristalline

Aluminium alloy

Formability

Plane strain

Strain heterogeneity

Diffraction contrast tomography (DCT)

Crystal plasticity finite element simulation

Résumé

Dans le contexte actuel de réduction des émissions de CO2, les constructeurs automobiles cherchent à alléger leurs structures en remplaçant l'acier par des alliages d'aluminium pour les carrosseries. Pour la formabilité des tôles, la déformation plane est limitante, car elle favorise les instabilités et la localisation de la déformation menant à la rupture. Cette étude s'intéresse donc aux mécanismes de déformation et d'endommagement sur un alliage d'aluminium 6016 T4 en traction en déformation plane (PST).Les hétérogénéités de déformation à l'intérieur de la matière sont caractérisées par corrélation d'images 2D (DIC) ou corrélation d'images volumiques (DVC) appliquées à des données d'essais in situ acquises par tomographie, laminographie et nanotomographie aux rayons X. L'étude est menée à différentes échelles, en variant les dimensions des éprouvettes PST et des régions observées. Les observations révèlent la présence de bandes de déformation inclinées qui sont stables dans l'espace au cours du chargement et qui sont souvent des précurseurs de la localisation de la déformation menant à la rupture de la tôle. La largeur des bandes de déformation étant de l'ordre de la taille des grains de la matière, une expérience in situ multimodale est réalisée sur l'une des éprouvettes dans le but d'approfondir la compréhension du rôle des grains dans les hétérogénéités de déformation mesurées. La tomographie de laboratoire par contraste de diffraction (DCT) est utilisée pour acquérir de manière non destructive la microstructure (orientations cristallographiques et morphologie des grains) d'une éprouvette à l'état initial non déformé dont on mesure par ailleurs l'évolution de la déformation. La microstructure réelle mesurée est maillée et sert d'entrée à des simulations par éléments-finis en 3D en plasticité cristalline (CP-FE) dont les prédictions décrivent bien les champs de déformation mesurés expérimentalement par corrélation d'images. Il est par ailleurs vérifié que ni un modèle macroscopique de plasticité anisotrope ni une simulation CP-FE avec des orientations de grains aléatoires ne reproduisent les résultats, ce qui valide la pertinence des simulations CP-FE pour l'étude des effets polycristallins. L'évolution de l'endommagement au cours de la traction en déformation plane est également mesurée à partir des données de tomographie, révélant une augmentation significative de l'endommagement à partir du maximum de charge et donc après l'apparition des bandes d'hétérogénéité de déformation précoce. L'apparition de ces-dernières est donc attribuée aux effets polycristallins, c'est-à-dire à l'organisation des grains et à leurs interactions mécaniques durant la déformation, montrant l'importance de tenir compte de la structure cristalline dans la modélisation.

In the current logic of reducing CO2 emissions, car manufacturers seek to replace steel with aluminium alloys for automotive panels, aiming for light weight structures. For sheet metal formability, plane strain is limiting, since it favors instabilities and strain localization leading to fracture. This study therefore focuses on strain and damage mechanisms in a 6016 T4 aluminum alloy under plane strain tension (PST).The strain heterogeneities within the material are characterized using 2D digital image correlation (DIC) or digital volume correlation (DVC) applied to data acquired in situ by X-Ray tomography, laminography and nanotomography. The study is conducted at different scales, varying the dimensions of the PST specimens as well as of the regions imaged. The measurements reveal the presence of slanted strained bands that remain spatially stable over loading and are often precursors of strain localization leading to fracture in the metal sheet. Given that the width of the deformation bands is of the order of the grain size of the material, an in situ multimodal experiment is performed on one of the specimens to gain a better understanding of the role of grains on the measured strain heterogeneities. Laboratory diffraction contrast tomography (DCT) is used to non-destructively acquire the microstructure (crystallographic orientations and grain morphology) of the specimen in the undeformed state in the central region, where the strain evolution is subsequently measured. The measured real microstructure is meshed and used as input of 3D crystal plasticity finite element (CP-FE) simulations, whose predictions accurately describe the strain fields measured experimentally by image correlation. It is also verified that neither a macroscopic anisotropic plasticity model nor a CP-FE simulation with random grain orientations reproduce the results, validating the relevance of CP-FE simulations for studying polycrystalline effects. The evolution of damage during plane strain tension is also measured from tomography data, revealing a significant increase in damage from the maximum load, and thus after the appearance of the early strain heterogeneity bands. The formation of the latter is therefore attributed to polycrystalline effects, i.e. the grain structure and their mechanical interactions under loading, highlighting the need to account for crystal structure in virtual testing.