Étude de l'activité plastique dans des bi-cristaux métalliques: modélisation et expériences

Des contraintes d’incompatibilité et des rotations de réseau peuvent se développer dans les bi-cristaux en raison des anisotropies élastique et plastique qui existent en lien avec les différentes orientations cristallines présentes de part et d’autre du joint de grains. Récemment, un modèle a été développé qui tient compte pleinement des effets couplés entre élasticité et plasticité hétérogènes. Ce modèle fournit les expressions analytiques explicites des champs de contrainte et de désorientation du réseau dans un bi-cristal en supposant une interface plane infinie et une élasticité et une plasticité uniformes par morceaux. Ces expressions permettent de prédire les valeurs des cissions résolues sur tous les systèmes de glissement d’un bi-cristal. Dans cette étude, le cas général d'une fraction volumique de cristaux quelconque a également été pris en compte. Considérant un chargement uniaxial en élasticité pure, ce modèle permet de retomber sur deux autres théories classiques. Les cissions résolues par système calculées à partir du modèle de Hook-Hirth sont retrouvées en supposant une élasticité hétérogène isotrope et en négligeant l'effet de Poisson. En considérant une élasticité homogène dans le bi-cristal, les « facteur de Schmid » classiques sont retrouvés. A partir d’une cartographie EBSD de Ni pur, ce modèle a été appliqué à la prédiction des possibles systèmes de glissement actifs dans des bi-cristaux suite à des essais de compression parallèle aux joints de grains. L'étude s´est concentrée sur les bi-cristaux où la nouvelle approche conduit à des prédictions différentes concernant l’entrée en plasticité par rapport aux modèles de Schmid et Hook-Hirth. Expérimentalement, les essais de compression uniaxiale sont réalisés par nanoindentation sur des micropilliers fabriqués au FIB. Enfin, les propriétés élastiques effectives de tous les bi-cristaux sont calculées et comparées à celles obtenues à partir des approches de Voigt, Reuss et Hook-Hirth, ainsi qu’aux mesures expérimentales

Modeling and simulation of deformation behavior, orientation gradient development and heterogeneous hardening in thin sheets with coarse texture

The purpose of this work is the modeling of the deformation behavior and orientation gradient development in a highly anisotropic thin metal sheet and comparison with experiment. This sheet consists of a single layer of “large” Fe-3%Si grains exhibiting a coarse texture. Since such materials are highly heterogeneous, they are modeled by combining single-crystal plasticity for each grain with the finite-element method for the grain morphology and specimen as a whole. The single-crystal model is rate-dependent, accounts for (local) dissipative hardening effects, and has been identified with the help of single-crystal data. In previous work Klusemann et al. (2012b), model predictions for the evolution of the specimen geometry and grain morphology during tension loading to large deformation have been shown to agree reasonably well with the corresponding experimental results of Henning and Vehoff (2005). In the current work, model predictions for the development of orientation gradients in the specimen under different modeling assumptions (e.g., active glide-system family) are compared with EBSD-based experimental results of Henning and Vehoff (2005). Model predictions for the development of geometrically necessary dislocations are also discussed. As well, additional measures of local orientation evolution such as reorientation are examined and compared with the orientation gradient picture. In addition, we examine the effect of additional grain boundary strengthening related to grain boundary misorientation and grain size and the effect of additional GND-based kinematic hardening

Etude expérimentale et modélisation des microstructures de déformation plastique intragranulaires discrètes

L amélioration des techniques de caractérisation (EBSD, MET, AFM) permet actuellement une meilleure compréhension des mécanismes plastiques intra-granulaires pour des poly-cristallin déformé. Les observations expérimentales montrent que les processus de plastification sont fortement hétérogènes et intermittent à l intérieur des grains. Les modèles micromécaniques à champs moyens développés ces dernières décennies ne considèrent pas proprement les hétérogénéités intra-granulaires du glissement plastique. Or il est aujourd hui démontré (simulations de Dynamique des Dislocations Discrètes par exemple) que la prise en compte de l auto-organisation des dislocations à l intérieur des grains est fondamentale pour mieux comprendre et expliquer les effets de taille de grains sur le comportement mécanique des polycristaux. Dans cette étude, deux approches complémentaires ont été développées : Une approche théorique qui consiste aux calculs des champs élastiques (contrainte interne et rotation de réseau) dus à une distribution discrète de boucles de dislocations contraintes par le joint de grains, et une approche expérimentale dont le but est de caractériser quantitativement les longueurs caractéristiques (espacements inter-bandes, et niveau de plasticification dans les bandes) pour des polycristaux à plusieurs tailles de grains se déformant plastiquement et de mesurer les rotations de réseau locales associées (mesure EBSD de désorientation de réseau cristallin) en vue de les comparer au champs de rotations élastiques calculés par le modèle. Le modèle a également été étendu pour permettre l étude à des microstructures plus complexes, comme par exemple, les cellules de dislocationsThe improvement of the materials characterization techniques in the last years has given access to new important information about the microstructure of polycrystalline metals. From experimental studies of deformed polycrystals, plastic strain within grains is known to be strongly heterogeneous and intermittent. As a consequence of the collective motion of dislocations, sample surfaces are indeed characterized by the presence of slip lines and slip bands (as slip traces). In the present study, a new micromechanical approach is developed to derive the mechanical fields (stresses, distortion, lattice curvature, elastic energy) arising from the presence of an inelastic strain field representing a typical internal "microstructure" as the one observed during the plastification of metallic polycrystals. This "microstructure" is due to the formation of discrete (spatial-temporal) intra-granular plastic slip heterogeneities which are modelled using discrete distributions of circular glide dislocation loops for a grain embedded in an infinite elastic matrix. Then, field equations have been solved using the method of Fourier Transforms. In contrast with the mean field approach based on the Eshelby formalism, it is then found that stress and lattice curvature fields are not more uniform inside the grain. A grain boundary layer actually appears where strong gradients occur and whose thickness depends on the introduced internal lengths. These results are compared with experimental measurements of local lattice rotation fields obtained by orientation imaging mapping (OIM). The model is able to capture different behaviours between near grain boundary regions and grain interior. The model was also develop to allow the study of more complex microstructures like the dislocation cellsMETZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Incompatibility stresses at grain boundaries in Ni bicrystalline micropillars analyzed by an anisotropic model and slip activity

International audienceIncompatibility stresses can develop in bicrystals due to material elastic and plastic anisotropies owing to different crystal orientations separated by grain boundaries. Here, these stresses are investigated by combining experimental and theoretical studies on 10 gm diameter Ni bicrystalline micropillars. Throughout stepwise compression tests, slip traces are analyzed by scanning electron microscopy to identify the active slip planes and directions in both crystals. An analytical model is presented accounting for the effects of heterogeneous elasticity coupled to heterogeneous plasticity on the internal mechanical fields. This model provides explicit expressions of stresses in both crystals considering experimentally observed non-equal crystal volume fractions and inclined grain boundaries. It is used to predict the resolved shear stresses on the possible slip systems in each crystal. The predictions of the onset of plasticity as given by the present model in pure elasticity are compared with those given by the classical Schmid's law. In contrast with Schmid's law, the predictions of the analytical model are in full agreement with the experimental observations regarding the most highly stressed crystal and active slip systems. The effects of plastic incompatibilities are also considered in addition to the elastic ones throughout the model. The analysis shows that elastic/plastic coupling incompatibilities together with different crystal volume fractions have significant effects on the slip system activation process