Experimental characterization of the intragranular strain field in columnar ice during transient creep

A digital image correlation (DIC) technique has been adapted to polycrystalline ice specimens in order to characterize the development of strain heterogeneities at an intragranular scale during transient creep deformation (compression tests). Specimens exhibit a columnar microstructure so that plastic deformation is essentially two-dimensional, with few in-depth gradients, and therefore surface DIC analyses are representative of the whole specimen volume. Local misorientations at the intragranular scale were also extracted from microstructure analyses carried out with an automatic texture analyzer before and after deformation. Highly localized strain patterns are evidenced by the DIC technique. Local equivalent strain can reach values as much as an order of magnitude larger than the macroscopic average. The structure of the strain pattern does not evolve with strain in the transient creep regime. Almost no correlation between the measured local strain and the Schmid factor of the slip plane of the underlying grain is observed, highlighting the importance of the mechanical interactions between neighboring grains resulting from the very large viscoplastic anisotropy of ice crystals. Finally, the experimental microstructure was introduced in a full-field fast Fourier transform polycrystal model; simulated strain fields are a good match with experimental ones

Evidence of 3D strain gradients associated with tin whisker growth

We have used Differential Aperture X-ray Microscopy (DAXM) to measure grain orientations and deviatoric elastic strains in 3D around a tin whisker. The results show strain gradients through the depth of the tin coating, revealing a higher strain deeper in the Sn layer. These higher strains are explained by the volume change occurring during growth of the intermetallic phase Cu6Sn5 at the interface between the Cu substrate and the Sn coating and at grain boundaries between Sn grains

Analytical Parametrization of Self-Consistent Polycrystal Mechanics: Fast Calculation of Upper Mantle Anisotropy

Progressive deformation of upper mantle rocks via dislocation creep causes their constituent crystals to take on a non-random orientation distribution (crystallographic preferred orientation or CPO) whose observable signatures include shear-wave splitting and azimuthal dependence of surface wave speeds. Comparison of these signatures with mantle flow models thus allows mantle dynamics to be unraveled on global and regional scales. However, existing self-consistent models of CPO evolution are computationally expensive when used in 3-D and/or time-dependent convection models. Here we propose a new method, called ANPAR, which is based on an analytical parameterisation of the crystallographic spin predicted by the second-order (SO) self-consistent theory. Our parameterisation runs approximately 2-6x10^4 times faster than the SO model and fits its predictions for CPO and crystallographic spin with a variance reduction > 99%. We illustrate the ANPAR model predictions for the deformation of olivine with three dominant slip systems, (010)[100], (001)[100] and (010)[001], for three uniform deformations (uniaxial compression, pure shear, simple shear) and for a corner-flow model of a spreading mid-ocean ridge

Elasto-viscoplastic behavior of polycrystalline ice

Une technique de corrélation d’images numériques (DIC) a été adaptée à l’étuded’échantillons de glace polycristalline colonnaire, afin de caractériser le développementdes hétérogénéités de déformation à une échelle intragranulaire au cours du fluage transitoireen compression. Ces hétérogénéités sont dues à la grande anisotropie viscoplastiquedu cristal de glace (avec un seul plan de glissement facile pour les dislocations), qui estresponsable d’interactions fortes entre les grains voisins lorsque l’échantillon se déforme,et de la mise en place de fortes contraintes internes. L’orientation particulière des plans deglissement et la structure colonnaire des échantillons, sans gradient de microstructure dansl’épaisseur, permet de considérer la déformation plastique essentiellement dans le plan.Les champs de déformation mesurés en surface peuvent donc être considérés en premièreapproximation comme représentatifs de tout le volume de l’échantillon. Les orientationscristallographiques, et désorientations locales à l’échelle intragranulaire, ont également étémesurées avec un analyseur optique de texture, avant et après déformation.De très fortes localisations de la déformation sont mises en évidence par la DIC;les déformations équivalentes locales peuvent atteindre plus de dix fois la valeur macroscopique.La structure des motifs de localisation évolue peu durant le régime de fluagetransitoire et elle est caractérisée par des bandes de localisation qui traversent l’échantillonobliquement, sur des distances allant jusqu’à dix fois la taille des grains. La corrélationentre le facteur de Schmid du plan de glissement d’un grain et sa déformation locale esttrès faible : l’agencement local des grains et les interactions intergranulaires jouent doncun rôle primordial dans la distribution spatiale des déformations. A l’échelle du grain, lesfortes désorientations de réseau ont été associées aux composantes locales du déplacement.On a montré en particulier que les distorsions sous forme de ”bandes en genou” (ou kinkbands) étaient corrélées à un déplacement le long de l’axe c du grain, mesuré par DIC.Les microstructures expérimentales ont été implémentées dans un modèle plein champFFT qui simule le comportement élasto-viscoplastique des polycristaux (code CraFT).Les champs de déformation simulés présentent globalement les mêmes caractéristiquesque les champs expérimentaux. En particulier, la majorité des zones de localisation dela déformation sont bien reproduites, spatialement et en intensité. Cependant, il n’a pasété possible de reproduire le comportement macroscopique des échantillons à la décharge.La déformation retardée effective est d’un ordre de grandeur inférieure à celle mesuréeexpérimentalement. Il est probable que cette limitation soit liée à l’e↵et du champ descontraintes internes, généré par la structure des champs de dislocations, et qui n’a pas étépris en compte dans la loi de comportement.A Digital Image Correlation (DIC) technique has been adapted to polycrystalline icespecimens in order to characterize the development of strain heterogeneities at an intra-granular scale during transient creep deformation. These heterogeneities are due to thestrong viscoplastic anisotropy of the ice single crystal (with only one easy glide planefor dislocations), inducing strong mechanical interactions between adjacent grains duringdeformation, and the establishment of strong internal stresses. Specimens exhibit a co-lumnar microstructure so that plastic deformation is essentially 2-D with few in-depthgradients, and therefore surface DIC analyses are representative for the whole specimenvolume. Local misorientations at the intragranular scale were also extracted from mi-crostructure analyses carried out with an automatic texture analyzer before and afterdeformation. Highly localized strain patterns are evidenced by the DIC technique. Localequivalent strain can reach values as high as one order of magnitude larger than the ma-croscopic average. The structure of the strain pattern does not evolve signicantly withstrain during the transient creep regime. Almost no correlation was measured betweenthe local strain and the Schmid factor of the slip plane of the underlying grain ; thishighlights the importance of the mechanical interactions between neighboring grains. Atthe grain scale, the strong lattice misorientations have been associated to the local com-ponents of the displacement. In particular, kink band distortions could be correlated to adisplacement along the c-axis measured by DIC. The experimental microstructures wereintroduced into a full-eld FFT model that simulates the behaviour of elasto-viscoplasticpolycrystals (CraFT code). The simulated deformation elds present globally the samecharacteristics as the experimental ones. Most of the localization bands are well repro-duced, spatially and quantitatively. However, we could not reproduce the macroscopicbehaviour of the specimens upon unloading. The predicted recovery eective strain is oneorder of magnitude lower than the measured one. This limitation might be linked withthe internal stress eld induced by the dislocation structure, which is not explicitly takeninto account in the local constitutive relation

Hétérogénéités de déformation au cours du fluage transitoire de la glace polycristalline. Mesures par corrélation d'images numériques et modélisation

A Digital Image Correlation (DIC) technique has been adapted to polycrystalline icespecimens in order to characterize the development of strain heterogeneities at an intra-granular scale during transient creep deformation. These heterogeneities are due to thestrong viscoplastic anisotropy of the ice single crystal (with only one easy glide planefor dislocations), inducing strong mechanical interactions between adjacent grains duringdeformation, and the establishment of strong internal stresses. Specimens exhibit a co-lumnar microstructure so that plastic deformation is essentially 2-D with few in-depthgradients, and therefore surface DIC analyses are representative for the whole specimenvolume. Local misorientations at the intragranular scale were also extracted from mi-crostructure analyses carried out with an automatic texture analyzer before and afterdeformation. Highly localized strain patterns are evidenced by the DIC technique. Localequivalent strain can reach values as high as one order of magnitude larger than the ma-croscopic average. The structure of the strain pattern does not evolve signicantly withstrain during the transient creep regime. Almost no correlation was measured betweenthe local strain and the Schmid factor of the slip plane of the underlying grain ; thishighlights the importance of the mechanical interactions between neighboring grains. Atthe grain scale, the strong lattice misorientations have been associated to the local com-ponents of the displacement. In particular, kink band distortions could be correlated to adisplacement along the c-axis measured by DIC. The experimental microstructures wereintroduced into a full-eld FFT model that simulates the behaviour of elasto-viscoplasticpolycrystals (CraFT code). The simulated deformation elds present globally the samecharacteristics as the experimental ones. Most of the localization bands are well repro-duced, spatially and quantitatively. However, we could not reproduce the macroscopicbehaviour of the specimens upon unloading. The predicted recovery eective strain is oneorder of magnitude lower than the measured one. This limitation might be linked withthe internal stress eld induced by the dislocation structure, which is not explicitly takeninto account in the local constitutive relation.Une technique de corrélation d’images numériques (DIC) a été adaptée à l’étuded’échantillons de glace polycristalline colonnaire, afin de caractériser le développementdes hétérogénéités de déformation à une échelle intragranulaire au cours du fluage transitoireen compression. Ces hétérogénéités sont dues à la grande anisotropie viscoplastiquedu cristal de glace (avec un seul plan de glissement facile pour les dislocations), qui estresponsable d’interactions fortes entre les grains voisins lorsque l’échantillon se déforme,et de la mise en place de fortes contraintes internes. L’orientation particulière des plans deglissement et la structure colonnaire des échantillons, sans gradient de microstructure dansl’épaisseur, permet de considérer la déformation plastique essentiellement dans le plan.Les champs de déformation mesurés en surface peuvent donc être considérés en premièreapproximation comme représentatifs de tout le volume de l’échantillon. Les orientationscristallographiques, et désorientations locales à l’échelle intragranulaire, ont également étémesurées avec un analyseur optique de texture, avant et après déformation.De très fortes localisations de la déformation sont mises en évidence par la DIC;les déformations équivalentes locales peuvent atteindre plus de dix fois la valeur macroscopique.La structure des motifs de localisation évolue peu durant le régime de fluagetransitoire et elle est caractérisée par des bandes de localisation qui traversent l’échantillonobliquement, sur des distances allant jusqu’à dix fois la taille des grains. La corrélationentre le facteur de Schmid du plan de glissement d’un grain et sa déformation locale esttrès faible : l’agencement local des grains et les interactions intergranulaires jouent doncun rôle primordial dans la distribution spatiale des déformations. A l’échelle du grain, lesfortes désorientations de réseau ont été associées aux composantes locales du déplacement.On a montré en particulier que les distorsions sous forme de ”bandes en genou” (ou kinkbands) étaient corrélées à un déplacement le long de l’axe c du grain, mesuré par DIC.Les microstructures expérimentales ont été implémentées dans un modèle plein champFFT qui simule le comportement élasto-viscoplastique des polycristaux (code CraFT).Les champs de déformation simulés présentent globalement les mêmes caractéristiquesque les champs expérimentaux. En particulier, la majorité des zones de localisation dela déformation sont bien reproduites, spatialement et en intensité. Cependant, il n’a pasété possible de reproduire le comportement macroscopique des échantillons à la décharge.La déformation retardée effective est d’un ordre de grandeur inférieure à celle mesuréeexpérimentalement. Il est probable que cette limitation soit liée à l’e↵et du champ descontraintes internes, généré par la structure des champs de dislocations, et qui n’a pas étépris en compte dans la loi de comportement

Hétérogénéités de déformation au cours du fluage transitoire de la glace polycristalline. Mesures par corrélation d'images numériques et modélisation

Une technique de corrélation d images numériques (DIC) a été adaptée à l étuded échantillons de glace polycristalline colonnaire, afin de caractériser le développementdes hétérogénéités de déformation à une échelle intragranulaire au cours du fluage transitoireen compression. Ces hétérogénéités sont dues à la grande anisotropie viscoplastiquedu cristal de glace (avec un seul plan de glissement facile pour les dislocations), qui estresponsable d interactions fortes entre les grains voisins lorsque l échantillon se déforme,et de la mise en place de fortes contraintes internes. L orientation particulière des plans deglissement et la structure colonnaire des échantillons, sans gradient de microstructure dansl épaisseur, permet de considérer la déformation plastique essentiellement dans le plan.Les champs de déformation mesurés en surface peuvent donc être considérés en premièreapproximation comme représentatifs de tout le volume de l échantillon. Les orientationscristallographiques, et désorientations locales à l échelle intragranulaire, ont également étémesurées avec un analyseur optique de texture, avant et après déformation.De très fortes localisations de la déformation sont mises en évidence par la DIC;les déformations équivalentes locales peuvent atteindre plus de dix fois la valeur macroscopique.La structure des motifs de localisation évolue peu durant le régime de fluagetransitoire et elle est caractérisée par des bandes de localisation qui traversent l échantillonobliquement, sur des distances allant jusqu à dix fois la taille des grains. La corrélationentre le facteur de Schmid du plan de glissement d un grain et sa déformation locale esttrès faible : l agencement local des grains et les interactions intergranulaires jouent doncun rôle primordial dans la distribution spatiale des déformations. A l échelle du grain, lesfortes désorientations de réseau ont été associées aux composantes locales du déplacement.On a montré en particulier que les distorsions sous forme de bandes en genou (ou kinkbands) étaient corrélées à un déplacement le long de l axe c du grain, mesuré par DIC.Les microstructures expérimentales ont été implémentées dans un modèle plein champFFT qui simule le comportement élasto-viscoplastique des polycristaux (code CraFT).Les champs de déformation simulés présentent globalement les mêmes caractéristiquesque les champs expérimentaux. En particulier, la majorité des zones de localisation dela déformation sont bien reproduites, spatialement et en intensité. Cependant, il n a pasété possible de reproduire le comportement macroscopique des échantillons à la décharge.La déformation retardée effective est d un ordre de grandeur inférieure à celle mesuréeexpérimentalement. Il est probable que cette limitation soit liée à l e et du champ descontraintes internes, généré par la structure des champs de dislocations, et qui n a pas étépris en compte dans la loi de comportement.A Digital Image Correlation (DIC) technique has been adapted to polycrystalline icespecimens in order to characterize the development of strain heterogeneities at an intra-granular scale during transient creep deformation. These heterogeneities are due to thestrong viscoplastic anisotropy of the ice single crystal (with only one easy glide planefor dislocations), inducing strong mechanical interactions between adjacent grains duringdeformation, and the establishment of strong internal stresses. Specimens exhibit a co-lumnar microstructure so that plastic deformation is essentially 2-D with few in-depthgradients, and therefore surface DIC analyses are representative for the whole specimenvolume. Local misorientations at the intragranular scale were also extracted from mi-crostructure analyses carried out with an automatic texture analyzer before and afterdeformation. Highly localized strain patterns are evidenced by the DIC technique. Localequivalent strain can reach values as high as one order of magnitude larger than the ma-croscopic average. The structure of the strain pattern does not evolve signicantly withstrain during the transient creep regime. Almost no correlation was measured betweenthe local strain and the Schmid factor of the slip plane of the underlying grain ; thishighlights the importance of the mechanical interactions between neighboring grains. Atthe grain scale, the strong lattice misorientations have been associated to the local com-ponents of the displacement. In particular, kink band distortions could be correlated to adisplacement along the c-axis measured by DIC. The experimental microstructures wereintroduced into a full-eld FFT model that simulates the behaviour of elasto-viscoplasticpolycrystals (CraFT code). The simulated deformation elds present globally the samecharacteristics as the experimental ones. Most of the localization bands are well repro-duced, spatially and quantitatively. However, we could not reproduce the macroscopicbehaviour of the specimens upon unloading. The predicted recovery eective strain is oneorder of magnitude lower than the measured one. This limitation might be linked withthe internal stress eld induced by the dislocation structure, which is not explicitly takeninto account in the local constitutive relation.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Intragranular strain field in columnar ice during transient creep regime and relation with the local microstucture

Transient effects in the creep of polycrystalline ice could play a crucial role for several ice flows (e.g. interaction between Antarctic ice shelves and ocean tides) and also have a major impact concerning deformation mechanisms of ice. During creep deformation of polycrystalline ice, strong stress and strain-rate intragranular heterogeneities are expected. These heterogeneities come from the very large viscoplastic anisotropy of ice crystals (with essentially a single easy plane for the dislocations to glide) which is responsible for the strong mechanical interaction between adjacent grains [1]. In order to go one step further in the quantitative understanding of this process, and to characterize the development of strain heterogeneities at a microscopic (intragranular) scale, we have performed deformation tests on 2-D polycrystalline ice exhibiting columnar grains with controlled grain size. Specimens were submitted to creep test and transient effects, in which both elastic and viscoplastic responses come in play, are investigated. A Digital Image Correlation (DIC) technique, with spatial resolution far smaller than the mean grain size, has been set to get continuous record of the intragranular displacement field during the test [2]. Experimental parameters have been optimized to improve the precision of the DIC results. In parallel, specimen microstructures were analyzed with an automatic ice texture analyzer, before and after deformation, and post-mortem measurements of local misorientations at the intragranular scale were performed. For the first time in ice, this work presents a direct link between grain orientation, strain localization, and lattice distortion at the intragranular scale

"Educational equipment : a sun tracking photovoltaic system for a transversal teaching approach"

International audienc

Effect of local stress heterogeneities on dislocation fields : examples from transient creep in polycrystalline ice

This work presents a coupled experimental and modeling approach to better understand the role of stress field heterogeneities on deformation behavior in material with a high viscoplastic anisotropy e.g. polycrystalline ice. Full-field elasto-viscoplastic modeling is used to predict the local stress and strain field during transient creep in a polycrystalline ice sample. Modeling input includes the experimental starting microstructure and a validated slip system dependent flow law. EBSD measurements on selected areas are used to estimate the local dislocation field utilizing the Weighted Burgers Vector (WBV) analysis. Areas of local stress concentration correlate with triple junctions and grain boundaries, originating from strain incompatibilities between differently oriented grains. In these areas of highly heterogeneous stress patterns, (a) kink bands are formed and (b) WBV analysis shows a non-negligible c-axis component of the WBV. The correlation between this defect structure and presence of kink bands suggests that kink band formation is an efficient accommodation deformation mode.7 page(s