Caractérisation, modélisation et simulation numérique des instabilités plastiques dans les alliages Al-Mg

Characterization, modeling and numerical simulation of plastic instabilities in Al-Mg alloys

• Auteur / Autrice : Baptiste Reyne
• Direction : Nicolas Moës, Pierre Yves Manach
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 10/10/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Balland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Moës, Pierre Yves Manach, Pascale Balland, Jean-Benoît Le Cam, Matthieu Mazière, Ahmed Benallal, Julien Réthoré, Gilles Rousselier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Benoît Le Cam, Matthieu Mazière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (technologie) -- Analyse

Simulation par ordinateur

Aluminium -- Alliages

Plasticité

Mots clés libres

Instabilités plastiques

Plasticité

Portevin-Le Chatelier

Alliages d’aluminium

Plastic instabilities

Plasticity

Portevin-Le Chatieler

Aluminium alloys

Résumé

Les instabilités plastiques désignent une famille de comportements non-linéaires que l’on rencontre dans plusieurs matériaux solides. Elles correspondent à une évolution hétérogène de la déformation sous un chargement homogène, et se manifestent par un écrouissage irrégulier accompagné de bandes de localisation d’épaisseur millimétrique dont la cinétique est sensible, entre autres, à la température et à la vitesse de chargement. Ce phénomène freine considérablement l’usage des tôles d’aluminium-magnésium dans l’industrie. En effet, il a des conséquences esthétiques et mécaniques néfastes dont il est difficile de prédire l'évolution à l'étape de conception. Des modèles de comportement dédiés peuvent reproduire les bandes de localisation mais peinent à estimer précisément leur cinématique. De plus, ils sont sujets à des complications comme la sensibilité à la discrétisation, un coût de calcul considérable ou encore l’identification expérimentale délicate de leurs paramètres. L’objectif de ces travaux est donc de proposer un cadre dans lequel la cinématique des bandes de localisation est prédite de façon fidèle. Dans un premier temps, l’alliage d’étude est caractérisé par des essais de traction où la cinétique de bandes individuelles est traquée à l'aide de la corrélation d'images numériques. Les quantités d'intérêt sont identifiées à l'échelle non-locale des bandes de déformation : leur géométrie, leur distribution spatio-temporelle, la déformation qu'elles portent et l'énergie qu'elles échangent. S'appuyant sur ces résultats expérimentaux, un modèle de comportement est formulé à l'échelle des bandes de localisation. Il encapsule toutes les conséquences macroscopiques des instabilités plastiques et s’émancipe donc des complications évoquées plus tôt. Finalement, une stratégie numérique est proposée pour la simulation unidimensionnelle des essais, avec pour objectif de démontrer la faisabilité de l'approche. Ce travail constitue une première contribution à la simulation des bandes de localisation au travers d'une modélisation directe de leur cinétique. Les perspectives suggérées portent en particulier sur trois aspects. D'abord, la caractérisation de la cinétique des bandes de déformation à l'échelle inférieure à la nucléation. Aussi, le déploiement en 2D et l'amélioration du modèle proposé pour le traitement robuste de cas industriels. Enfin, l'utilisation du cadre développé pour la prise en charge d'autres physiques non-locales.

Plastic instabilities refer to a wide family of material nonlinearities met in several solid materials. They correspond to a heterogeneous strain response under homogeneous loading conditions, and manifest as an erratic workhardening accompanied by strain localization bands that kinetics are sensitive to temperature and loading rate, among other material properties. This phenomenon hinders the industrial use of aluminium-magnesium alloys. It involves harmful mechanical and aesthetic consequences that can hardly be predicted at the design step. Constitutive models can recreate localization bands but they fail to accurately predict their kinematics. Moreover, they are subjected to several issues such as mesh sensitivity, a high computational cost or a complex parameters identification. The purpose of this work is to build a framework in which bands kinematics can be reliably predicted. First, the studied alloy is characterized by means of tensile tests in which the kinetics of individual bands are tracked using digital image correlation. Quantities of interest are then identified at the non-local scale of bands: their morphology, spatiotemporal distribution, the strain they carry and the energy they exchange. Based on these experimental results, a constitutive model is derived at the scale of localization bands. It embeds all the aforementioned macroscopic consequences of plastic instabilities. A numerical strategy is then proposed to tackle unidimensional simulations, with the purpose of justifying the feasibility of the approach. This work constitutes a first contribution to the simulation of localization bands through a direct modeling of their kinetics. The considered outlooks focus on three main aspects. First, the experimental characterization of instabilities beneath the bands scale. Also, the twodimensional deployment and the improvement of the model to fit concrete and industrial applications. Lastly, the use of the proposed framework for a greater variety of non-local behaviors.