Investigation of size effects in gradient-enhanced crystal plasticity framework

Investigation des effets de taille dans le cadre de plasticité crystalline à gradient

• Auteur / Autrice : Yaovi Amouzou-adoun
• Direction : Farid Abed-meraim
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés libres

Gaps élastiques

Plasticité à gradient

Dynamique des dislocations discrètes

Plasticité cristalline

Effets de taille

Mécanique des milieux continus généralisés

Elastic Gaps

Gradient plasticity

Discrete dislocation dynamics

Crystal plasticity

Size effects

Mechanics of generalized continua

Résumé

A petites échelles, typiquement comprises entre des centaines de nanomètres et quelques dizaines de micromètres, de nombreuses études ont révélé des effets de taille sur le comportement inélastique des matériaux métalliques . Compte tenu de la tendance exponentielle à la miniaturisation, la modélisation correcte de ces effets est devenue une nécessité dans plusieurs domaines d'ingénierie. Les théories classiques de plasticité, qui n'impliquent pas de longueur(s) interne(s), ne permettent pas de reproduire ces effets. Pour surmonter cette limitation, des approches basées sur la plasticité à gradient (PG) ont été proposées. Ces approches sont capables de tenir compte du gradient de déformations plastiques, dont le lien avec les effets de taille a été prouvé expérimentalement mais aussi numériquement en appliquant la mécanique des dislocations. Grâce à leurs caractéristiques intéressantes, ces approches ont suscité un grand intérêt scientifique ces dernières années, conduisant au développement de nombreux modèles PG. La plupart de ces modèles conduisent, sous certaines conditions de chargement, à des effets de taille inhabituels, tels que l'apparition de gaps élastiques (retard dans l'écoulement plastique suite à un changement infinitésimal des conditions aux limites). Certains de ces effets n'ont jamais été observés expérimentalement et leur nature physique est remise en question. Cela représente un obstacle empêchant l'application des modèles PG à des problèmes réels d'ingénierie. La présente proposition de thèse vise à étudier la nature physique de ces effets, en particulier les gaps élastiques, et à fournir une description améliorée de la plasticité continue à petites échelles. Pour y parvenir, des expériences originales à petites échelles, impliquant pour la première fois des chargements non proportionnels, ainsi que des simulations avancées basées sur la dynamique des dislocations discrètes (DDD), seront réalisées. Les résultats expérimentaux et numériques seront ensuite utilisés pour développer les premiers modèles PG, mono et poly cristallin, qui sont suffisamment robustes pour être appliqués à de vrais problèmes complexes d'ingénierie.

In the size range between hundreds of nanometers and few tens of micrometer, numerous studies have revealed size effects on the inelastic behavior of metallic materials. Given the exponential trend towards miniaturization, the correct modeling of these effects has become a necessity in several engineering fields. Conventional plasticity theories, which do not imply internal length scale(s), cannot reproduce these effects. To overcome this limitation, approaches based on strain gradient plasticity (SGP) have been proposed. These approaches are capable of accounting for the gradient of plastic deformations, which correlate with size effects as experimentally observed and numerically predicted using dislocation mechanics. Thanks to their interesting features, these approaches have received a strong scientific interest in recent years, leading to the development of various SGP models. Most of these models lead, under certain loading conditions, to unusual size effects, such as the occurrence of elastic gaps (delay in plastic flow due to an infinitesimal change in boundary conditions). Some of these effects have never been observed experimentally and their physical nature is questioned. This represents an obstacle preventing the application of SGP models to real engineering problems. The present PhD proposal aims at studying the physical nature of these effects, in particular the elastic gaps, and at providing an improved description of continuous small scale plasticity. To this end, original small scale experiments, involving for the first time non-proportional loading conditions, as well as advanced discrete dislocation based simulations will be performed. The experimental and numerical results will then be used to develop the first single- and poly-crystal SGP models that are robust enough for real complex engineering problems.