Plasticité dans les matériaux Hexagonaux : Incompatibilité de Réseau, Conditions d’Interfaces et Lois d’Echelles – PHIRCILE

Les outils de transition d’échelles et les modélisations multi-échelles du comportement mécanique des matériaux cristallins ne pourront progresser que s’ils prennent efficacement en compte l’auto-organisation spatiale et temporelle des défauts microstructuraux. De tels progrès sont nécessaires dans les domaines du design et de la mise en forme des nouveaux matériaux, et dans la conception des micro- et nano-systèmes. En effet, on s’attend pour ces derniers à des effets de taille spécifiques, car leurs dimensions sont proches des longueurs caractéristiques des mécanismes de déformation discrets : glissement, maclage, transformation martensitique, etc. Le présent projet de recherche concerne à la fois les aspects théoriques et expérimentaux de la plasticité cristalline. Il se focalise sur le traitement des hétérogénéités de la déformation plastique, et l’influence qu’ont les joints de grain sur les corrélations spatio-temporelles et les effets de taille. En raison de leur anisotropie plastique intrinsèque, les matériaux hexagonaux sont particulièrement affectés par ce type de problématique. Le projet portera en particulier sur les alliages de titane et de zirconium auxquelles les expériences et les simulations seront dédiées en priorité. Ces alliages sont utilisés à la pointe de plusieurs secteurs industriels. On peut citer les industries aéronautique et biomédicale pour le titane, et l’industrie nucléaire pour le zirconium. Néanmoins, de par sa nature fondamentale, les implications de ce projet pourront concerner d’autres matériaux hexagonaux, ainsi que les matériaux de structure cubique, notamment en ce qui concerne la prévision des textures dans les aciers. Dans la partie modélisation du projet, l’incompatibilité du déplacement plastique sera traduite par un champ de dislocations polaires. Les simulations seront basées sur une théorie dynamique et continue des champs de dislocations qui capte les échelles mésoscopiques, en tenant compte à la fois des champs de distorsion à longue distance due à la présence de dislocations et des interactions à courte distance liées à leur transport (contact, glissement dévié, etc.). A partir de ces simulations, il est notamment prévu de dresser des cartes de contraintes internes et d’incompatibilité de réseau dans des polycristaux de Ti et de Zr. Ces cartes devront ensuite être corrélées aux sites observés pour l’initiation du maclage. Par ailleurs, une condition non-locale aux interfaces portant sur le saut de distorsion élastique sera implémentée dans le modèle. Couplée à une formulation en déformations finies, cette condition permettra d’aborder le problème du développement des textures dans les polycristaux sous un angle nouveau. En parallèle, des essais de nanoindentation seront conduits sur des bi-cristaux de Ti et de Zr. Des simulations de dynamique moléculaire viendront en soutien de ces essais afin d’accéder aux mécanismes fondamentaux de la plasticité. La compréhension de ces mécanismes est essentielle pour estimer de manière fiable les paramètres d’entrée des simulations mésoscopiques. De plus, d’autres expériences innovantes seront conçues afin d’accéder à l’ensemble des échelles impliquées dans le processus collectif de déformation plastique. L’enregistrement simultané des courbes de déformation macroscopique, de l’émission acoustique, des champs locaux de déformation (grâce à une technique d’extensométrie fine à haute résolution) pour toute une gamme de matériaux et de conditions de chargement sera ainsi réalisé. Enfin, une série complète de méthodes d’analyse non-linéaire (statistique, spectrale, multi-fractale, analyse d’inter-corrélations, ondelettes, graphes de récurrence) sera développée afin d’obtenir une caractérisation quantitative des données, aussi bien expérimentales qu’issues des simulations. On s’appuiera sur une démarche pluridisciplinaire entre mécanique, science des matériaux, dynamique non-linéaire et physique pour mener à bien ce projet.