Couplage entre champ de phases et plasticité cristalline continue – COUPHIN

Les propriétés mécaniques des matériaux métalliques dépendent fortement de leur microstructure, c'est-à-dire de la forme et de l'arrangement spatial des différentes phases qui les composent. Il est donc important de comprendre et de contrôler les évolutions microstructurales, tant d'un point de vue fondamental qu'appliqué. L'approche par champ de phases s'est imposée comme la méthode la plus adaptée pour décrire ces évolutions microstructurales, en particulier à l'état solide où les contraintes de cohérence jouent souvent un rôle non négligeable. Cependant, dans de nombreux matériaux, évolution microstructurale et plasticité sont concomitantes, et il n'existe à ce jour aucun couplage satisfaisant entre champ de phases et plasticité. L'objectif principal de notre projet est d'associer ces deux aspects, en couplant un modèle de champ de phases à un modèle de plasticité continue. Pour qu'il soit pertinent, ce couplage devra prendre en compte l'anisotropie imposée par la nature cristalline des phases, ainsi que les effets de taille associés aux dislocations, importants à l'échelle de la microstructure. Un modèle de plasticité cristalline continue incluant les développements les plus récents sur les longueurs internes (modèle de Cosserat et modèle à gradient) est donc nécessaire. Pour atteindre cet objectif, le projet associe trois partenaires possédant des champs d'expertise complémentaires sur les deux aspects mentionnés ci-dessus. Pour la construction de ce modèle, nous suivrons une démarche progressive en couplant le modèle de champ de phases à des modèles de plasticité de complexités croissantes, dans un cadre thermodynamique cohérent. Le modèle sera implémenté dans deux codes reposant sur des méthodes numériques différentes, dont nous évaluerons les efficacités respectives à partir de cas tests soigneusement déterminés. D'autre part, nous réaliserons une analyse asymptotique du modèle en choisissant l'épaisseur d'interface comme petit paramètre pour pouvoir relier les paramètres du modèle de champ de phases à ceux des modèles où l'interface est abrupte. Ce modèle sera finalement appliqué à deux alliages métalliques dans lesquels les transformations de phase interagissent avec la plasticité : les superalliages base nickel et les aciers. (i) Les superalliages base nickel utilisés dans les disques et aubes de turbines des turboréacteurs atteignent des propriétés mécaniques exceptionnelles à haute température grâce à leur microstructure qui est composée d'un arrangement régulier de précipités cuboïdaux dans une matrice. En fonctionnement, le vieillissement de la microstructure conduit à une mise en radeaux des précipités, suivie par une inversion topologique. Au cours de ce projet, cette évolution microstructurale complexe, qui conduit à un effondrement des propriétés mécaniques, sera caractérisée en utilisant un modèle de champ de phases dédié. (ii) Contrôler l'apparition de la ferrite de Widmanstätten peut s'avérer crucial pour améliorer la ténacité des aciers faiblement alliés. Cependant, les mécanismes de croissance de cette morphologie sont encore sujets à controverse, et ce depuis de longues années. En particulier, il n'est sorti aucune conclusion définitive des nombreux travaux qui leur ont été consacrés, à cause du fort couplage entre plasticité et évolutions morphologiques. Le modèle de champ de phases développé dans le projet constituera ainsi une avancée majeure pour l'étude du processus de croissance de la ferrite de Widmanstätten en rendant compte précisément de ce couplage. Ce projet, à la pointe du développement de la méthode de champ de phases à l'échelle mésoscopique, ouvrira de larges possibilités dans le domaine des transformations de phase dans les solides cristallins.