Approches multi-échelles pour modéliser le glissement dévié et ses conséquences sur l'effet Bauschinger

Multi-scale approach for mofelling of cross-slip and its effect on Bauschinger phenomenon

• Auteur / Autrice : Yuxiao Han
• Direction : Olivier Bouaziz, Stéphane Berbenni
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 12/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
• 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)

Mots clés

Mots clés libres

Glissement dévié

Effet Bauschinger

Dislocations

Bauschinger effect

Dislocations

Cross-slip

Résumé

Les propriétés mécaniques, physiques et chimiques des polycristaux métalliques sont fortement influencées par les solutés et par les longueurs internes ainsi que par les mécanismes de plasticité cristalline, notamment les interactions mutuelles entre les dislocations, les joints de grains et les macles (ou les joints de phase). Malgré l'effort scientifique, il n'est toujours pas si aisé de comprendre les sources effectives de certains de ces effets, en particulier l'effet Bauschinger dans les polycristaux et les alliages multiphasés qui est la signature macroscopique de contraintes à longue distance induite dans la microstructure. Des théories avancées, comme la mécanique de champs de dislocations et la plasticité à gradient, ont permis d'établir un lien entre ce dernier effet et les empilements de dislocations en micro-plasticité (dislocations géométriquement nécessaires, GNDs). Cependant, cela reste à approfondir car il a été montré que les GNDs peuvent aussi avoir un effet dissipatif (contribution à l'écrouissage isotrope). L'objectif de cette thèse est d'enrichir et de faire dialoguer plusieurs approches avancées à petites échelles pour mieux comprendre les effets de taille sur les propriétés mécaniques des polycristaux métalliques. Une extension de la méthode MDFM-EVPFFT, récemment développée et appliquée dans l'équipe encadrante, avec la prise en compte des énergies de défauts dans la formulation non locale sera proposée. Cela permettra de reformuler la contrainte cinématique émanant de la théorie pour mieux décrire l'effet Bauschinger. Plusieurs choix seront discutés en comparaison avec des approches discrètes (DDD) ou à gradients actuelles. Une implémentation dans un formalisme en grandes transformations sera réalisée pour étudier l'évolution des densités de GNDs, leur auto-organisation, l'apparition et la propagation des bandes de glissement et des bandes en genoux sous chargements complexes. Nous nous intéresserons également à la prise en compte du glissement dévié dans la formulation MDFM-EVPFFT en l'intégrant au niveau des équations de transport de densités de GNDs sur les systèmes de glissement. Nous étudierons notamment son influence sur l'effet Bauschinger pour améliorer les modèles à champs moyens et nous l'appliquerons sur des alliages HEA (à haute entropie) et des aciers avec des effets de solution solide ont été reportés (Fe. 8%Al) où il a été montré que le glissement dévié est le point central pour décrire l'écrouissage isotrope et cinématique ainsi que pour comprendre la structure des dislocations (glissement planaire ou formation de cellules). Les modèles champs complets (MFDM-EVPFFT, à gradients) seront utilisés pour alimenter/valider les modèles à champs moyens nettement plus rapides en temps de calculs (modèles « on-line »). En parallèle de ces approches théoriques, une démarche expérimentale sera développée. Elle consistera à étudier l'écrouissage et l'effet Bauschinger dans des alliages de type Cu-Si et Cu-Al dont une littérature existe. Ces alliages présentent différentes énergies de faute d'empilement qui dépendent fortement de la concentration en éléments d'addition (Al ou Si par exemple).

The mechanical, physical and chemical properties of metallic polycrystals are strongly influenced by solutes and internal lengths, as well as by crystal plasticity mechanisms, including mutual interactions between dislocations, grain boundaries and macles (or phase boundaries). Despite the scientific effort, it is still not so easy to understand the actual sources of some of these effects, in particular the Bauschinger effect in polycrystals and multiphase alloys, which is the macroscopic signature of long-range stresses induced in the microstructure. Advanced theories, such as dislocation field mechanics and gradient plasticity, have established a link between the latter effect and dislocation stacking in microplasticity (geometrically necessary dislocations, GNDs). However, this remains to be investigated further, as it has been shown that GNDs can also have a dissipative effect (contribution to isotropic strain hardening). The aim of this thesis is to enrich and bring together several advanced small-scale approaches to better understand the effects of size on the mechanical properties of metallic polycrystals. An extension of the MDFM-EVPFFT method, recently developed and applied in the supervising team, with the inclusion of defect energies in the non-local formulation will be proposed. This will enable us to reformulate the kinematic constraint emanating from the theory to better describe the Bauschinger effect. Several choices will be discussed in comparison with current discrete (DDD) or gradient approaches. An implementation in a large-transformation formalism will be carried out to study the evolution of GND densities, their self-organization, and the appearance and propagation of slip and knee bands under complex loading. We will also look at how to take account of deviated slip in the MDFM-EVPFFT formulation by integrating it into the transport equations for GND densities on slip systems. In particular, we will study its influence on the Bauschinger effect to improve medium-field models and apply it to HEA (high-entropy) alloys and steels with solid solution effects have been reported (Fe. 8%Al) where it has been shown that deviated slip is the focal point for describing isotropic and kinematic strain hardening as well as for understanding dislocation structure (planar slip or cell formation). Full-field models (MFDM-EVPFFT, with gradients) will be used to feed/validate medium-field models, which are much faster in computation time (on-line models). In parallel with these theoretical approaches, an experimental approach will be developed. This will involve studying work-hardening and the Bauschinger effect in Cu-Si and Cu-Al alloys, for which literature exists . These alloys exhibit different stacking fault energies, which are highly dependent on the concentration of addition elements (Al or Si, for example).