Complexité de la plasticité à différentes échelles :instabilités macroscopiques, avalanches de dislocations,dualité onde-intermittence

Complexity of plasticity at different scales:Macroscopic Instabilities, Dislocation Avalanches, Wave-Intermittence Duality

• Auteur / Autrice : Hafsa Jaber
• Direction : Mikhail Lebedkin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEPARTEMENT 2 : Ingénierie des Microstructures, Procédés, Anisotropie, ComportemenT (IMPACT)
• Jury : Président / Présidente : Matthieu Mazière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mikhail Lebedkin, Manuel Francois, Véronique Doquet, Benoît Beausir, Roxane Massion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuel Francois, Véronique Doquet

Mots clés

Mots clés libres

Auto-organisation des défauts cristallins

Instabilité plastique

Hétérogénéité de la déformation plastique

Émission acoustique

Corrélation d'images

Analyse non linéaire

Self-organization of crystal defects

Plastic instability

Heterogeneity of plastic flow

Acoustic emission

Digital image correlation

Nonlinear analysis

Résumé

Souvent perçue comme homogène à l'échelle macroscopique, la déformation plastique des matériaux cristallins révèle un comportement intrinsèquement hétérogène et intermittent à des échelles plus fines, dû aux phénomènes d'auto-organisation des dislocations. Le plus souvent confinés à des échelles mésoscopiques, ces derniers ne sont généralement pas pris en compte dans l'étude des comportements mécaniques des solides. Ils jouent cependant un rôle prépondérant dans les transitions entre les différentes échelles et constituent une clé pour de nouveaux progrès dans la compréhension de la plasticité des matériaux. De plus, dans certaines conditions, l'auto-organisation peut se manifester à une échelle macroscopique, notamment dans le cas de l'effet Portevin-Le Chatelier (PLC) qui engendre une instabilité menant à l'apparition de bandes de déformation et donnant lieu à des courbes de déformation saccadées. Les études antérieures ont révélé que la dynamique collective des défauts cristallins conduit à un grand nombre de phénomènes. L'objectif de cette thèse est de réaliser une approche complexe ayant l'ambition de réunir des points de vue distincts, notamment de pouvoir discriminer les mécanismes dynamiques de nature générale des mécanismes spécifiques aux matériaux. L'étude expérimentale est réalisée en combinant des techniques ciblant chacune une gamme d'échelles, telles que des essais de traction, de corrélation d'images numériques (DIC) et d'émission acoustique (EA). L'approche expérimentale est renforcée par une analyse de données à l'aide de méthodes issues de la théorie des systèmes dynamiques (analyses statistiques, spectrales, multifractales, d'entropie…). Deux matériaux sont étudiés de ce travail : un alliage modèle d'Al3%Mg pour l'étude de l'effet PLC et un alliage à haute entropie (HEA), Al0.3CoCrFeNi, présentant des courbes de traction parfaitement lisses à température ambiante. Le choix d'un alliage manifestant l'effet PLC permet d'explorer les liens entre les échelles macroscopique et mésoscopique dans des conditions de forte auto-organisation des dislocations. De plus, compte tenu du rôle que les surfaces d'une éprouvette peuvent jouer pour la nucléation des bandes PLC, cette recherche traite également de l'effet de pré-déformation de la surface par la technique SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment). Il a été constaté que les échantillons traités présentent une résistance accrue sans détérioration de la ductilité par rapport au matériau initial. Ces modifications sont susceptibles d'être corrélées aux modifications des effets associés aux processus collectifs de la déformation. La méthode DIC permet notamment d'observer une tendance à l'affaiblissement de la localisation de la déformation. Un accent particulier est mis sur une étude des hétérogénéités fines en dehors des bandes PLC, manifestant une compétition entre une intermittence en forme de sursauts de la vitesse de déformation locale et une propagation de ces événements le long de l'éprouvette (dualité onde-intermittence). L'étude du HEA montre qu'une telle dualité est également présente dans ce matériau à structure cristalline particulière. En même temps, les motifs pertinents manifestent de nombreuses propriétés, distinguant son comportement de celui observé dans l'alliage AlMg. Il peut alors être suggéré que le mécanisme dynamique opérant à ces échelles est identique à plusieurs matériaux, mais que ce mécanisme engendre une grande diversité de motifs spécifiques. L'absence d'instabilité macroscopique masquant le comportement à l'échelle fine, permet l'application d'analyses non linéaires aux divers ensembles de données. Ces résultats révèlent des transitions entre des régimes dynamiques distincts, pouvant être assimilés à des bruits de différentes couleurs, notamment le bruit bleu rarement observé dans les systèmes complexes.

Plastic deformation of crystalline materials, often perceived as homogeneous on the macroscopic scale, reveals an intrinsically heterogeneous and intermittent behavior at finer scales, due to self-organization of dislocations. Most often confined to mesoscopic scales, the collective phenomena are generally not considered in the studies of mechanical behavior of solids. However, they play a leading role in transitions between different scales and constitute a key to further progress in understanding the plasticity of materials. Furthermore, under certain conditions, self-organization can manifest itself on a macroscopic scale, notably in the case of the Portevin-Le Chatelier (PLC) effect which generates instability leading to the appearance of deformation bands and giving rise to jerky flow. Previous studies have revealed that the collective dynamics of crystal defects leads to multiple phenomena. The objective of this thesis is to implement a complex approach with the ambition of bringing together distinct points of view, in particular to be able to discriminate dynamic mechanisms of a general nature from material specific mechanisms. The experimental study is carried out by combining techniques each targeting a particular range of scales, such as tensile testing, digital image correlation (DIC) and acoustic emission (EA). The experimental approach is corroborated by data analysis using methods of the theory of dynamical systems (statistical, spectral, multifractal, entropy analyses, etc.). Two materials are the subject of this work: a model Al3%Mg alloy for the study of the PLC effect and a high entropy alloy (HEA), Al0.3CoCrFeNi, displaying perfectly smooth tensile curves at room temperature. The choice of an alloy exhibiting the PLC effect makes it possible to explore the links between the macroscopic and mesoscopic scales under conditions of strong self-organization of dislocations. In addition, given the role that the surfaces of a specimen can play for the nucleation of PLC bands, this research also addresses the effect of pre-deformation of the surface by the SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) technique. It is found that the treated samples exhibit increased strength without deterioration in ductility compared to the initial material. These modifications are likely to be correlated with modifications of the effects associated with collective deformation processes. In particular, the DIC method makes it possible to observe a tendency to weakening of the strain localization. Emphasis is placed on a study of fine heterogeneities outside the PLC bands, which manifest a competition between an intermittency in the form of bursts of the local strain rate and a propagation of these events along the specimen (wave-intermittence duality). The study of HEA demonstrates that such duality is also present in this material with a particular crystalline structure. At the same time, the relevant patterns manifest many properties distinguishing its behavior from that observed in the AlMg alloy. It may thus be suggested that the dynamic mechanism operating at these scales is unique for various materials, but it should allow a great diversity of specific patterns. Thanks to the absence of macroscopic instability overshadowing the fine-scale behavior, non-linear analyses are applied to various data sets. These results reveal transitions between distinct dynamic regimes, which may be assimilated with noises of different colors, including blue noise rarely observed in complex systems.