Добірка наукової літератури з теми "Polycristaux – Élasticité"

Les premiers stades d'endommagement par fatigue au sein des matériaux métalliques polycristallins sont pilotés par les champs mécaniques locaux se développant à l'échelle des grains en surface. La formation de bandes de glissement persistantes est souvent à l'origine des fissures de fatigue. Cette localisation de la plasticité cyclique apparaît au sein de grains d'un polycristal dans lequel les champs de contraintes élastiques peuvent être fortement hétérogènes en fonction de la microstructure granulaire et de l'anisotropie élastique cristalline. La majeure partie de ce travail est consacrée à évaluer puis à analyser statistiquement les champs de contraintes au sein des grains de surface de polycristaux. Ce travail s'est concentré sur la réponse élastique des matériaux considérés afin d'étudier l'activation du glissement plastique et sa variabilité, puis, de façon un peu moins directe, ses conséquences vis-à-vis de la formation des fissures de fatigue. La méthodologie retenue est basée sur la simulation numérique en champs complets par éléments-finis de la réponse élastique d'un ensemble d'agrégats polycristallins dont les orientations cristallographiques sont tirées aléatoirement.Deux matériaux très différents du point de vue de l'élasticité cristalline et des systèmes de glissement ont été choisis comme support de l'étude. Le premier est l'acier inoxydable austénitique 316L à structure cubique à faces centrées et le second l'alliage de titane TA6V à structure hexagonale compacte. Les distributions de la cission résolue au sein d'ensembles de grains de surface, par classe d'orientation, sont analysées en relation avec les configurations cristallographiques locales afin d'identifier celles qui favorisent - ou au contraire inhibent - l'activation du glissement plastique. Les résultats obtenus, dans le cas du TA6V, suggèrent notamment une activation plus précoce et importante du glissement basal devant le glissement prismatique. De plus, la stratégie de simulation a été adaptée pour rendre compte de la présence de zones texturées appelées « macrozones » dont l'influence sur l'activation de plasticité peut être qualitativement prédite. L'activation du glissement dans le TA6V est également étudiée expérimentalement par la réalisation d'un essai in situ sous MEB où la précocité du glissement basal est constatée.Cet essai a également permis de caractériser la cinétique d'activation des différents types de glissements. Ces données, couplées aux statistiques des cissions simulées, permettent une estimation de la cission résolue critique sur les 2 types de glissement
The first stages of fatigue damage in metallic polycrystalline materials are governed by local mechanical field at the grain scale. Fatigue crack initiation is often related to the emergence of persistent slip band at surface.Localization of cyclic plasticity occurs within grains of polycristals in which elastic stress field can be highly heterogeneous due to the granular microstructure and crystalline anisotropic elasticity. The main goal of this study is to evaluate and analyse statistically the stress fields in surface grains of polycristals. In this work, the elasticregime only is considered in order to study the subsequent activation of plastic slip and its variability. The possibleconsequences regarding crack formation are also addressed but in a lesser extent. The methodology is based on fullfield finite element numerical simulation of the elastic response of a set of polycrystalline aggregates in which grains orientation is chosen randomly.The two materials chosen for this study exhibit different characteristics regarding crystal elasticity and slip systems.The first one is an austenitic stainless steels 316L (face centered cubic) and the second one a titanium alloy TA6V(hexagonal close packed). The distribution of resolved shear stress within several sets of surface grains, for different classes of crystal orientation, are analysed in relation to local crystallographic configurations in order to identify those which promote - or prevent from - plastic slip activation. For TA6V, the results suggest in particular that basal slip is activated earlier than prismatic slip. In addition, the simulation strategy has been modified tomodel the presence of some sharp band-like crystallographic textures named “macrozones” whose influence has been qualitatively predicted. Plastic slip activation in TA6V is also studied experimentally. In situ tensile test using SEM has shown the earlier activation of basal slip. Experimental data has been combined with simulated distribution of resolved shear stress in order to estimate the critical resolved shear stress of basal and prismatic slip systems

Les propriétés élastiques sont d'une importance fondamentale pour un matériau. Avec la combinaison des techniques acoustique picoseconde et de la diffusion Brillouin, nous avons mesuré les vitesses du son et constantes élastiques dans divers films minces déposés par pulvérisation magnétron, y compris des nitrures de métaux de transition, binaires et ternaires épitaxiés (TaN, TiN, ZrN, Ti1-xZrxN), des alliages polycristallins à haute entropie ((CoCrCuFeNi)1-x(Al, Nb)x), et leurs alliages de nitrure interstitiels (CoCr(Cu,Mn)FeNiNx). D’autre part, des calculs ab-initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont été effectués pour fournir des constantes élastiques monocristallines avec considération de lacunes.Il a été constaté que pour les nitrures binaires et ternaires, les lacunes jouent un rôle énorme sur les propriétés élastiques, en particulier dans le cas de TaN. Alors que dans le cas de TiN, ZrN et Ti1-xZrxN, l’influence des lacunes est moindre mais reste perceptible. Dans le cas des alliages polycristallins à plusieurs composants et des alliages interstitiels, les vitesses du son et les constantes élastiques effectives sont associées à des effets de composition chimique (Al, Nb et N), à des transitions de phase (FCC, BCC et amorphe), et des changements de textures et de porosité. Le module élastique correspond au module de nanoindentation EIT. La concordance globale entre nos mesures de propriétés élastiques et les calculs DFT a été atteinte. En outre, DFT ont également fourni des informations précieuses sur les propriétés structurelles et la stabilité des phases observées
Elastic properties are of fundamental importance for a material. With the combination of picosecond laser ultrasonic and Brillouin light scattering techniques, we measured sound velocities in various magnetron-sputtering-deposited thin films including epitaxial binary and ternary transition metal nitrides (TaN, TiN, ZrN, Ti1-xZrxN), polycrystalline high entropy alloys or multicomponent transition metal alloys ((CoCrCuFeNi)1-x(Al,Nb)x), and their nitrogen interstitial alloys (CoCr(Cu,Mn)FeNiNx). The longitudinal and shear sound velocities (VL and VT respectively) are correlated to the effective elastic constants through ⟨C33⟩= ρV2L and ⟨C44⟩= ρV2T. On the other hand, Density functional theory (DFT) based ab-initio calculations were performed to provide single crystal elastic constants w/o considering vacancies. It was found that for the epitaxial binary and ternary nitrides, vacancies play a huge role on elastic properties especially in the case of TaN. While in the case of TiN, ZrN and Ti1-xZrxN, the influence of vacancies is smaller but still noticeable. In the case of polycrystalline multicomponent alloys and interstitial alloys, the sound velocities and effective elastic constants were found to be associated to chemical alloying (Al, Nb and N) effects, phase transitions (FCC, BCC and amorphous), textures and porosity changes. The elastic modulus agrees to nanoindentation modulus EIT. The overall agreement between our elastic property measurements and DFT calculations were reached. Besides, DFT calculations also provided valuable insights into structural properties and phase stability. Additionally, we studied structural and mechanical (including elastic) properties of a bulk CoCrCuFeNi as a reference to thin film properties. With the CoCrCuFeNi films on a flexible Kapton® substrate, we performed tensile tests and studied fracture properties of thin films, as a preliminary work to further link thin film elasticity to plasticity. Keywords: Thin film, epitaxial, polycrystalline, sound velocity, elastic constant, transition metal nitride, multicomponent alloy, interstitial alloy, point defects, microstructure, porosity, texture, Brillouin light scattering, picosecond laser ultrasonic, nanoindentation, mechanical property, flexible substrate, fracture toughness, crack and buckle, ab-initio, DFT

Dans ce mémoire, des méthodes spectrales basées sur la transformée de Fourier rapide ("fast Fourier transform" en anglais notée "FFT") sont développées pour résoudre les équations de champs et d’évolution des densités de dislocations polarisées ou géométriquement nécessaires dans la théorie de la mécanique des champs de dislocations ("Field Dislocations Mechanics" en anglais et notée "FDM") et de son extension phénoménologique et mésoscopique ("Phenomenological Mesoscopic Field Dislocations Mechanics" en anglais et notée "PMFDM"). Dans un premier temps, une approche spectrale a été développée pour résoudre les équations élasto-statiques de la FDM pour la détermination des champs mécaniques locaux provenant des densités de dislocations polarisées et des hétérogénéités élastiques présentes dans les matériaux de microstructure supposée périodique et au comportement élastique linéaire. Les champs élastiques sont calculés de façon précise et sans oscillation numérique même lorsque les densités de dislocations sont concentrées sur un seul pixel (pour les problèmes à deux dimensions) ou sur un seul voxel (pour les problèmes à trois dimensions). Ces résultats sont obtenus grâce à l’application de formules de différenciation spatiale pour les dérivées premières et secondes dans l’espace de Fourier basées sur des schémas à différences finies combinées à la transformée de Fourier discrète. Les résultats obtenus portent sur la détermination précise des champs élastiques des dislocations individuelles de types vis et coin, et des champs élastiques d’interaction entre des inclusions de géométries variées et différentes distributions de densités de dislocations telles que les dipôles ou les boucles de dislocations dans un matériau composite biphasé et des microstructures tridimensionnelles. Dans un second temps, une approche spectrale a été développée pour résoudre de façon rapide et stable l’équation d’évolution spatio-temporelle des densités de dislocations dans la théorie FDM. Cette équation aux dérivées partielles, de nature hyperbolique, requiert une méthode spectrale avec des filtres passe-bas afin de contrôler à la fois les fortes oscillations inhérentes aux approches FFT et les instabilités numériques liées à la nature hyperbolique de l’équation de transport. La validation de cette approche a été effectuée par des comparaisons avec les solutions exactes et les méthodes éléments finis dans le cadre de la simulation des phénomènes physiques d’annihilation ou d’extension/annihilation de boucles de dislocations. En dernier lieu, une technique numérique pour la résolution des équations de la PMFDM est développée dans le cadre d’une formulation FFT pour un comportement élasto-visco-plastique avec la prise en compte de la contribution des dislocations géométriquement nécessaires et statistiquement stockées ainsi que des conditions de saut de la distorsion plastique aux interfaces de type joint de grains ou joint de phases. Cette technique est par la suite appliquée à la simulation de la déformation plastique de structures modèles telles que des microstructures périodiques à canaux et des polycristaux métalliques
Fast Fourier transform (FFT)-based methods are developed to solve both the elasto-static equations of the Field Dislocation Mechanics (FDM) theory and the dislocation density transport equation of polarized or geometrically necessary dislocation (GND) densities for FDM and its mesoscopic extension, i.e. the Phenomenological Mesoscopic Field Dislocations Mechanics (PMFDM). First, a numerical spectral approach is developed to solve the elasto-static FDM equations in periodic media for the determination of local mechanical fields arising from the presence of both polarized dislocation densities and elastic heterogeneities for linear elastic materials. The elastic fields are calculated in an accurate fashion and without numerical oscillation, even when the dislocation density is restricted to a single pixel (for two-dimensional problems) or a single voxel (for three-dimensional problems). These results are obtained by applying the differentiation rules for first and second derivatives based on finite difference schemes together with the discrete Fourier transform. The results show that the calculated elastic fields with the present spectral method are accurate for different cases considering individual screw and edge dislocations, the interactions between inhomogeneities of various geometries/elastic properties and different distributions of dislocation densities (dislocation dipoles, polygonal loops in two-phase composite materials). Second, a numerical spectral approach is developed to solve in a fast, stable and accurate fashion, the hyperbolic-type dislocation density transport equation governing the spatial-temporal evolution of dislocations in the FDM theory. Low-pass spectral filters are employed to control both the high frequency oscillations inherent to the Fourier method and the fast-growing numerical instabilities resulting from the hyperbolic nature of the equation. The method is assessed with numerical comparisons with exact solutions and finite element simulations in the case of the simulation of annihilation of dislocation dipoles and the expansion/annihilation of dislocation loops. Finally, a numerical technique for solving the PMFDM equations in a crystal plasticity elasto-viscoplastic FFT formulation is proposed by taking into account both the time evolutions of GND and SSD (statistically stored dislocations) densities as well as the jump condition for plastic distortion at material discontinuity interfaces such as grain or phase boundaries. Then, this numerical technique is applied to the simulation of the plastic deformation of model microstructures like channel-type two-phase composite materials and of polycrystalline metals

Les comportements mécaniques des films minces polycristallins sont encore mal compris à l'échelle sub-micronique. En particulier des hétérogénéités locales de déformation importantes sont attendues, mais elles restent difficile à quantifier expérimentalement. Les nouvelles possibilités offertes par les micro-faisceaux synchrotron de rayons X ont donc été utilisées dans ce travail pour éclairer cette problèmatique. Une réflexion de Bragg provenant d'un grain unique sub-micronique a été acquise avec une très bonne résolution dans l'espace réciproque en trois dimensions lors d'un cycle thermique. Les propriétés de cohérence du faisceau ont été utilisées pour reconstruire à trois dimensions une composante du champ de déplacement intra-grain avec une résolution d'une vingtaine de nanomètres dans les trois directions. Cette technique est basée sur des algorithmes de reconstruction de phase qui néanmoins connaissent des stagnations dans le cas des échantillons fortement déformés. Une méthodologie basée sur la connaissance de la forme du grain a donc été développée pour contourner ces difficultés. Des analyses complémentaires de diffraction X de laboratoire et de microdiffraction monochromatique ont également mis en évidence des hétérogénéités importantes de déformation entre les différents grains.

Cette thèse contient quatre contributions indépendantes a la mécanique aléatoire: 1) une contribution aux suites à discrépance faible afin d'accélérer la convergence des algorithmes de type Monte-Carlo ; 2) l'homogénéisation des matériaux élastiques à microstructure aléatoire : on définit rigoureusement les tenseurs élastiques macroscopiques, on donne une méthode de simulation pour les calculer, enfin cette méthode est mise en oeuvre sur un matériau fictif ; 3) la fatigue à grand nombre de cycles des métaux polycristallins : on établit un nouveau critère d'endurance pour tous les chargements périodiques ; ce critère est susceptible de modéliser l'aspect aléatoire de la rupture ; 4) l'analyse de la simulation en calcul a 1 rupture probabiliste des structures discrètes : on montre notamment que l'approche par les vitesses est adaptée quand on a à effectuer une simulation et que l'algorithme du simplexe peut être utilisé.

Cette thèse contient quatre contributions indépendantes à la mécanique aléatoire: 1) une contribution aux suites à discrépance faible afin d'accélérer la convergence des algorithmes de type monte-carlo; 2) l'homogénéisation des matériaux élastiques à microstructure aléatoire: on définit rigoureusement les tenseurs élastiques macroscopiques, on donne une méthode de simulation pour les calculer, enfin cette méthode est mise en oeuvre sur un matériau fictif; 3) la fatigue à grand nombre de cycles des métaux polycristallins: on établit un nouveau critère d'endurance pour tous les chargements périodiques; ce critère est susceptible de modéliser l'aspect aléatoire de la rupture; 4) l'analyse de la simulation en calcul a 1 rupture probabiliste des structures discrètes: on montre notamment que l'approche par les vitesses est adaptée quand on a à effectuer une simulation et que l'algorithme du simplexe peut être utilisé