Comportement mécanique de nano poudres métalliques consolidées et impactées à vitesse intermédiaire

Un procédé combinant la métallurgie des poudres et la déformation plastique sévère en régime dynamique intermédiaire a été mise au point pour élaborer des matériaux à grains ultrafins. Le matériau massif résultant de la compaction isostatique à chaud d'une poudre d'aluminium de pureté commerciale montre une microstructure homogène de grains équiaxes, dont la taille moyenne micro-m, sans orientation préférentielle. La microstructure après impact d'un poids tombant à la vitesse de 100s-1 induit une légère anisotropie de forme des grains et une texture cristallographique marquée. La taille moyenne des grains, mesurée par microscopie électronique en transmission et par diffraction des rayons X est de 500 nm et 80 nm respectivement. Des éprouvettes prélevées dans les directions parallèle (DN) et perpendiculaire (DT) à la direction de l'impact ont été déformées à température ambiante, en compression uniaxiale à 10-4s-1. Par rapport au matériau initial, un gain important en terme de limite d'élasticité est observé, s'accompagnant toutefois d'un adoucissement marqué après quelques % de déformation

Etude experimentale et theorique de l'effet de la temperature sur les dislocations dissociees dans beta-CuZn. Lien avec l'anomalie plastique

SIGLEINIST T 71210 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Combined experimental–numerical investigation of ductile fracture toughness of high purity fine-grained nickel through small-size notched tensile specimens

The available stock of the material is very often insufficient to machine conventional specimens and conduct tests according to ASTM Standards. Specially, it is difficult to meet the specimen size requirements, such as thickness or planar width, and estimate fracture toughness of high strength materials by means of KIc, JIc, or CTOD. A Local Approach to Fracture is an alternative methodology that can estimate macroscopic fracture properties based on the testing of the small-size specimens. In this contribution, an integrated experimental and numerical study was proposed to investigate the mechanical properties of highly ductile and tough nickel consisting of fine grains. The experimental set-up of small-size notched tensile specimens was proposed to obtain different states of triaxial stress and to evaluate the stress state dependence with the failure strain. It was shown that the triaxiality plays a major role on the damage evolution demonstrated on the stress–strain curves by decreasing ductility. The experimental investigation was supplemented by electron microscopy observations of the fractured surfaces. The observed deformation mechanisms leading to the failure, based on the nucleation, growth, and coalescence of microvoids, ware linked with the modified Gurson model proposed for numerical simulations. The simulations provided approximate values of the damage parameters, which were subsequently applied to the crack tip situation. Finally, the evaluated toughness of the material in the mode I crack propagation was compared with experimental data. The proposed model and related damage parameters provided satisfactory predictions of crack formation and propagation. Note: to be considered as a poste

Mécanismes de déformation et résistance à la rupture des polycristaux à grains ultra-fins (études expérimentales et numériques)

L'objectif de cette thèse est à travers deux thèmes fondamentaux d étudier et analyser les mécanismes de déformation et de rupture des polycristaux cubiques à faces centrées à grains ultra-fins. Dans le premier thème la déformation plastique est considérée comme un procédé de fragmentation des grains en blocs plus petits. À cet effet, la technique dite du poids tombant (développée au SMMA-Supméca) qui est un procédé de déformation plastique en régime dynamique est utilisée pour l'affinement des grains de nickel polycristallin. Les mécanismes d affinement et de déformation sont ensuite analysées expérimentalement et numériquement par transformée de Fourier rapide (Fast Fourier Transform). Le deuxième thème traite de l'influence de la tri-axialité sur la ténacité des matériaux ductiles ainsi que de l'identification des mécanismes conduisant à la rupture en traction. À cette fin, des essais de traction sur mini-éprouvettes à entaille circulaire et des techniques de modélisation numérique sont développés et mis en oeuvre pour prédire le comportement à la rupture du nickel polycristallin et d un acier. Les résultats obtenus sont utilisés pour formuler un critère appliquable au chargement d'une fissure. Les résultats numériques sont comparés avec les données expérimentales pour valider la procédure et estimer la ténacité des matériaux étudiés.The objective of this thesis is to provide insights of two fundamental topics regarding the deformation and failure mechanisms of ultrafine-grained face-centered cubic metals. The first topic considers the mechanisms of plastic deformation as a desired grain fragmentation process in order to achieve a significant refinement of structural elements. For this purpose, the so-called Dynamic Plastic Deformation technique is used to cause the grain refinement of polycrystalline nickel. Subsequently, a Fast Fourier Transform numerical procedure is applied to the microstructure after deformation, and the results are compared with the experiments. The second topic deals with the effect of the stress state on ductile toughness along with identification of the mechanisms leading to tensile failure. To this end, a small-scale experimental and numerical modelling techniques are developed and implemented to predict fracture behaviour of polycrystalline nickel and steel. Consequently, the obtained results are used to formulate a criterion applied to the crack tip situation. The numerical results are compared with the experimental data to validate the procedure and estimate fracture toughness of the investigated material.PARIS13-BU Sciences (930792102) / SudocSudocFranceF

Comportement mécanique et évolutions microstructurales sous compression quasi-statique et dynamique de polycristaux CFC et HC (effet de la taille des grains)

Le présent travail est consacré à l'analyse de l effet de la vitesse de déformation et de la taille des grains sur les mécanismes de plasticité activés lors de la déformation plastique dans deux types de matériaux polycristallins: (i) le zinc (Zn), de structure hexagonale compacte, et ayant des tailles de grains dans le domaine micrométrique (300 m) et dans le domaine des grains ultrafins (200 nm). Ces matériaux sont déformés en compression quasi-statique et dynamique (vitesse de déformation atteignant 10 5 s -1 ) à l aide de bars de Hopkinson (DIHPB) ; (ii) le nickel (Ni) électrodéposé à grains fins, de structure cubique à faces centrées ayant une taille moyenne de grains de l ordre de 4 m, également déformé en compression dynamique (DIHPB). Des différences significatives en termes de micro-mécanismes de déformation dans les deux régimes ont été mises en évidence: (i) pour des faibles vitesses de déformation et jusqu'à ~10 2 s -1 , la déformation a lieu principalement par glissement des dislocations à la fois dans Ni et dans Zn à grains nanométriques. Toutefois, un maclage important est observé dans le cas des échantillons Zn à grains micrométriques, indiquant ainsi un effet de la taille des grains sur le maclage; (ii) Dans le régime dynamique (> 10 3 s -1 ) la déformation plastique induit une augmentation de la température dans les échantillons (Ni ou Zn). Cette augmentation de la température est suffisamment importante pour induire à son tour la restauration et/ou la recristallisation dynamique. Comme conséquence, deux phénomènes sont observés en fonction du matériau: pour Ni, la microstructure et les propriétés mécaniques résultant sont similaires à celles de l'état initial, dominé par des macles de recuit et des grains équiaxes et orientés de façon aléatoire. Pour Zn un affinage important de la taille des grains est observé (de 300 m à 6 m) qui s accompagne au passage de l inhibition du phénomène de maclage. Pour clarifier ce point, des investigations complémentaires ont été effectuées sur des échantillons de Ti de pureté commerciale (CP-Ti) à grains micrométriques dans les deux régimes quasi-statique et dynamique. Les résultats montrent que le maclage est ici le principal mécanisme de déformation. La densité des macles est d autant plus élevée que la vitesse de déformation est importante et les grains plus gros. Ces résultats confirment l influence l'effet de la taille des grains sur le maclage mécanique dans les matériaux HC. Par contre, il a été observé que l'effet de la vitesse de déformation sur le maclage dans le régime dynamique est différent selon qu il s agisse de Zn ou de Ti. Dans le premier cas, il est probable que le faible niveau du rapport T/T f joue un rôle clé, en induisant le recristallisation dynamique dans les conditions expérimentales étudiées ici.The present work is devoted to the analysis of the strain rate and grain size effects on the deformation mechanism activated during plastic deformation of two polycrystalline materials: (i) zinc (Zn), a crystal with hexagonal compact packing structure, having grain size in the micro and ultrafine grain ranges (~ 300 m and 200 nm, respectively), loaded under quasi-static and dynamic compression conditions, up to a strain rate of ~ 10 5 s -1 (by use of a Direct Impact Hopkinson Pressure Bars (DIHPB); (ii) electrodeposited nickel (Ni), a face-centered cubic structure with grain size of 5 m deformed in compression under dynamic conditions using DIHPB. Significant differences in terms of micro-mechanisms of deformation in the two regimes were found: (i) At lower strain rates, up to ~ 10 2 s -1 , dislocation-based plasticity was observed in both Ni and Zn. Extensive twinning occurred only in the case of micrometer grain-sized Zn, indicating a grain size dependence of twinning; (ii) In the dynamic regime (> 10 3 s -1 ) plastic deformation induced a significant increase of the temperature within the samples. This increase of temperature was significant enough to induce recovery and/or dynamic recrystallization. As consequence two phenomena were observed depending on the structure under investigation: for Ni, the resulting microstructure and mechanical properties were similar to that of the initial state, dominated by annealing twins and equiaxed and randomly oriented grains. For micro-grained Zn a tremendous grain refining was found. As a consequence, twinning was inhibited. To clarify this point, additional investigations were carried out on coarse-grained CP-Ti deformed in both quasi-static and dynamic regimes. It was found that twinning was the main deformation mechanism. Indeed, the larger the strain rate and grains size, the larger the twin density. On the one hand, these results clearly demonstrate the grain size effect on the occurrence of mechanical twinning in HCP materials. On the other hand, the effect of the strain rate on twinning was found to depend on the material under investigation. Compared to Ti, the lower homologous temperature T/T m of Zn probably plays a key role, as it may induce dynamic recovery/recrystallization as far as the present experimental conditions are concerned.PARIS13-BU Sciences (930792102) / SudocSudocFranceF

Effet comparatif du CIP sur l'élaboration par SPS de Ni mono-et bi-modal

International audienceL’une des approches visant à allier hautes résistance mécanique et ductilité consiste àconserver ou introduire une fraction de grains de taille micrométrique dans une matriceultrafine, ces grains étant plus à même d’accommoder la déformation plastique. Ce type demicrostructure peut être obtenu par une croissance hétérogène du grain suite à unedéformation plastique sévère ou, de manière plus contrôlée, en adaptant les procédés demétallurgie des poudres. Dans le présent travail, des échantillons de nickel ont été élaborésdans des conditions identiques de frittage flash (SPS) afin de mettre comparativement enévidence l’effet de la précompaction isostatique à froid (CIP), les microstructures considéréesétant soit monomodales (poudres initiales de granulométrie micrométrique ou ultrafine), soitbimodales (fractions volumiques contrôlées). En termes de caractérisation microstructuralepar microscopie électronique (EBSD), les échantillons précompactés par CIP présentent parexemple une meilleure distribution des composants et des densités élevées de joints de grainsà grand angle (HAGB), de type Σ3 essentiellement, comprenant des macles cohérentes (cf.Fig. 1). En termes de propriétés mécaniques, les comportements sont également distincts, leséchantillons élaborés à partir de mélanges avec une fraction de grains ultrafins de 40 % etprécompactés par CIP présentant par exemple une résistance mécanique légèrement réduitemais un important gain en ductilité

Polycristaux à grains ultrafins élaborés par métallurgie des poudres (microstructures, propriètés mécaniques et modélisation micromécanique)

Les principes de base de l élaboration des matériaux présentant de bonnes propriétés mécaniques sont connus depuis que la théorie des dislocations fut développée. Si la ductilité nécessite une mobilité raisonnable des dislocations, la résistance mécanique est, elle, liée à la présence des obstacles qui limitent le mouvement des dislocations. Parmi les différentes méthodes pour introduire ces obstacles l affinage de la taille des grains a une contribution importante. Cependant, les propriétés mécaniques d un agrégat polycristallin ne dépendent pas uniquement de la taille moyenne des grains mais aussi de la dispersion des tailles de grains dans le matériau. La métallurgie des poudres est une technologie versatile pour élaborer des microstructures à la demande . Dans ce cadre, nous avons utilisé la compaction isostatique à chaud (CIC) et le frittage flash (SPS) pour générer à partir de (nano)poudres de du Nickel pur, différents microstructures afin d en étudier les influences sur le comportement mécanique macroscopique. En parallèle, nous avons, dans le cadre d une modélisation micromécanique selon un schéma auto cohérent généralisée, modélisé le comportement macroscopique tenant compte des fraction volumiques des phases constituantes (grains, joints de grains) ainsi que leur dispersions statistiques.The general principles underlying the processing of high strength, and ductile, metallic materials have been understood since the beginning of the development of dislocation theory. If ductility necessitates a reasonable mobility of dislocations, strengthening is related to the building of obstacles restricting their propagation. Within this framework the present work focuses on the effect of grain size. To this end, due to their versatility, powder metallurgy routes such as HIP and SPS have been used to process a wide range of Nickel based microstructures, whose effects on the macroscopic behavior has been studied by quasi static compression tests at room temperature. In parallel, since the grain size alone neither defines the microstructure nor characterizes the mechanical behavior of metallic polycrystals, we have developed a micromechanical model that is based on a generalized self-consistent approach to shed light on the effect of microstructural parameters such as the grain size and its statistical distribution on the macroscopic behavior.PARIS13-BU Sciences (930792102) / SudocSudocFranceF

Data on the influence of cold isostatic pre-compaction on mechanical properties of polycrystalline nickel sintered using Spark Plasma Sintering

Data regarding bulk polycrystalline nickel samples obtained by powder metallurgy using Spark Plasma Sintering (SPS) are presented, with a special emphasis on the influence of a cold isostatic pre-compaction on the resulting morphologies and subsequent mechanical properties. Three types of initial powders are used, nanometric powders, micrometric powders and a mixture of the formers. For each type of powder, the SPS cycle has been optimized for the powders without pre-compaction and the same cycle has been used to also sinter pre-compacted powders

Nano composites élaborés par consolidation de nano poudres métalliques : caractérisation expérimentale et modélisation micromécanique

Le comportement mécanique macroscopique des matériaux à grains ultrafins semble être affecté par la contribution des joints de grains. Forts de ce constat, nous avons reformulé et implémenté le modèle auto cohérent généralisé, récemment développée par (Jiang et Weng, 2004), intégrant différents aspects tels que la taille des grains, l'épaisseur des joints de grains avec leurs comportements spécifiques respectifs. De part les tous premiers résultats de simulation, ce modèle est jugé suffisamment pertinent pour être par la suite appliqué à nos matériaux élaborés par compaction isostatique à chaud (Billard, 2004) de nanopoudres métalliques