Revisiter la rupture ductile avec des métamateriaux poreux aléatoires

Revisiting ductile fracture with random porous metamaterials

• Auteur / Autrice : Alessandro Rocco
• Direction : Gabriella Tarantino, François Hild
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : COMMET - Comportement des matériaux, modélisation, expérimentation et théorie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec

Mots clés

Mots clés libres

Simulations

Tomographie

Essais in situ

Mesure de champs

Endommagement ductile

Tomography

In situ tests

Full-field measurements

Simulations

Ductile damage

Résumé

Contexte : De manière générale, les matériaux métalliques rompent sous l'effet d'une contrainte mécanique par rupture ductile. Le terme rupture ductile désigne les processus d'endommagement induit par la germination de microcavités, qui croissent sous l'effet de la déformation plastique [1]. La rupture est la conséquence de la propagation d'une fissure qui s'amorce lorsque les cavités coalescent [1]. Bien que l'étude de la rupture ductile date depuis longtemps et, en France, a vu le jour grâce aux travaux de George Charpy et de Jean Lemaitre, certains aspects demeurent encore sans réponse. La raison réside notamment dans la nature intrinsèquement multiéchelle du phénomène, qui peut aller de l'échelle de la structure (ordre du cm ou plus) à celle des dislocations (nm). Par exemple, il n'y a pas de consensus dans la littérature en ce qui concerne l'instabilité plastique déclenchant la coalescence des cavités ou si, au contraire, les deux mécanismes sont concomitants [2]. De même, on ne sait pas encore comment les cavités croissent et finissent par coalescer sous l'effet d'un taux de triaxialité des contraintes élevé [2]. Répondre à ces questions est l'objectif principal de cette thèse. Objectifs : L'ambition de cette thèse est d'explorer le potentiel des métamatériaux comme matériaux « modèles » pour étudier et quantifier les mécanismes de rupture ductile à l'échelle micrométrique. Les métamatériaux, ou matériaux architecturés, ont une mesostructure conçue à-la-carte pour atteindre des propriétés et fonctionnalités spécifiques. Les lattices sont un exemple. Du fait de leur agacement topologique conçu de façon astucieuse, ces matériaux ont montré un potentiel considérable dans plusieurs branches des sciences [3]. L'objectif de cette thèse est d'explorer cette caractéristique pour revisiter les mécanismes de la rupture ductile. Démarche scientifique : Les métamatériaux objet de cette étude contiennent des pores dispersés de façon aléatoire dans la matrice métallique. Dans de tels matériaux, l'agencement topologique des porosités est généré par algorithme numérique, puis élaboré par fusion laser sur lit de poudre [4,5]. Notre travail actuel montre que ces matériaux, lorsqu'ils sont soumis à un chargement mécanique, ont des caractéristiques propres à la rupture ductile des métaux et des alliages [6]. Cette étude s'appuiera autant sur des essais in situ (tomographie), des mesures de champs cinématiques (par corrélation d'images volumiques) que sur des simulations par éléments finis.

Background: Ductile fracture is the most common room temperature mechanism of failure in metals. In a nutshell, the term ductile fracture is used to designate the general process of damage nucleation followed by a phase of damage growth and coalescence driven by plasticity. As simple as it sounds, ductile fracture is, in reality, a rather complex process and involves various competing mechanisms across different length scales (from the cm down to the nm). Typically, it results from the nucleation, growth and coalescence of microscopic voids embedded in the metallic matrix [1]. From a historical perspective, the study of ductile fracture is not new and in France, e.g., it dates back to the pioneering work by George Charpy and Jean Lemaitre. The subject now comprises a vast body of work, which is comprehensively reviewed in the overview article by Pineau et al. [1]. Yet, while significant progress has been made, several open questions still remain. For example, there is not yet a consensus in the literature whether plastic localization triggers void coalescence or if the two occur simultaneously [2]. Likewise, it is still not known how voids effectively interact under increasing stress triaxiality [2]. Probing these important questions is the main objective of this doctoral study. Objectives: The ambition of this thesis is to explore the potential offered by metamaterials to examine, at a scale compatible with laboratory investigations, the complex damage phenomena underlying ductile fracture in metals and alloys. Metamaterials, also called architected materials, are a novel class of engineering materials whose internal architecture is precisely-engineered to achieve key functions and performances [3]. Cellular lattices are a notable example. Nowadays, metamaterials have literally boomed in many fields of science and technology as they offer unprecedented design flexibility not achievable by conventional materials. This feature is what this doctoral thesis aims to harness. Methodologies: Metamaterials with random voids are attractive porous systems to study ductile fracture of metals. The reason for this lies in their porous architecture, which consists of precisely-engineered geometric pores randomly dispersed into a metallic matrix. Metamaterials of this type are naturally a mesoscale analogue of metallic materials in which voids are nucleated within the matrix [1]. Their porous architecture is generated numerically by means of a random sequential absorption algorithm and is fabricated using laser powder-bed fusion (LPBF) [4,5]. Our current work shows that these materials effectively combine, in their tensile deformation, several features of ductile fracture of metals [6]. This study will be based on in situ tests (tomography), kinematic field measurements (by digital volume correlation) as well as finite element simulations.