Hétérogénéités du champ de contraintes à l’échelle du (sub)micromètre dans les polycristaux élasto-plastiques – MICROSTRESS

Les approches micromécaniques théoriques et expérimentales ont connues des progrès spectaculaires au cours des dernières années. Beaucoup d’efforts ont portés sur la compréhension des hétérogénéités de déformation à l’échelle du (sub-micron), qui sont systématiquement observées dans les polycristaux élastoplastiques. Cependant, le manque de données mécaniques à l’échelle du micron est le frein principal permettant de relier ces hétérogénéités de déformation aux caractéristiques de la microstructure. Le but de ce projet est de développer de nouvelles approches expérimentales permettant de mesurer le champ des contraintes avec une résolution spatiale (sub)micrométrique. Ces nouvelles données expérimentales seront mis en regard des autres champs actuellement mesurables avec la même résolution spatiale, i.e. le champ des orientations cristallographiques par EBSD, et le champ de déplacement par Corrélation d’Images (DIC). Le développement des techniques de mesures des champs cinématiques et thermiques a révolutionné la micromécanique expérimentale au cours de la dernière décennie ; nous pensons que l’ajout d’un champ mécanique supplémentaire, le champ de contrainte, sera un nouveau tournant.
Pour atteindre ce but, nous allons développer simultanément deux techniques expérimentales et les appliquer à des mono-, bi-, et poly-critaux d’un acier 316L, afin de travailler sur des microstructures de complexité croissante. Ce projet inclus des partenaires académiques (laboratoires PIMM, LMS-X, Navier, EMSE), une équipe du CEA/INAC en charge de la ligne française BM32 à l’ESRF, et un partenaire industriel (EDF), qui regroupent à eux tous une expertise reconnue en micromécanique expérimentale, Science des Matériaux, techniques synchrotron, traitement d’images, microscopie électronique, et qui partagent un domaine d’étude, celui de la plasticité cristalline. L’application de ce projet porte sur un matériau industriel simple afin de garder en vue les applications futures visées.

Nous allons développer deux techniques, l’EBSD à haute resolution angulaire – HR-EBSD – et la microdiffraction Laue ; elles sont complémentaires en termes de résolution spatiale (~30 nm vs. ~micromètre), d’accés (MEB vs. synchrotron), de flexibilité du montage, etc. Dans les deux cas, le cliché de diffraction (Kikuchi vs. Laue) formé par un faisceau incident (électrons vs. Rayons X) fortement focalisé est mesuré par le détecteur 2-D ; ce cliché contient des informations relatives à l’orientation cristallographique mais aussi aux distorsions élastiques du réseau cristallin. Cependant, l’extraction de la déformation élastique avec une résolution adaptée aux approches micromécanique, i.e. +/-0 .0001, requiert l’utilisation d’une méthode de traitement d’images permettant le repérage de la distorsion du cliché avec une résolution subpixel. Tous les partenaires de ce projet mènent depuis plusieurs années des efforts de recherche dans cette direction ; ce projet a pour but de mettre en commun ces efforts afin d’atteindre le niveau de développement nécessaire à l’application des techniques à des cas concrets. Le développement des méthodes d’analyse des images expérimentales, basées sur la DIC, sera poursuivi et appliqué aux clichés de Kikuchi et de Laue. Les champs de contraintes seront mesurés sur des éprouvettes d’acier déformées in situ. Les gradients de contrainte selon l’épaisseur seront estimés par microdiffraction Laue. Les données expérimentales seront aussi interprétées en termes de structure de dislocations, comparées à des analyses MET, et confrontés à des calculs Eléments Finis polycristallins. Un aspect majeur du projet sera la validation de ces méthodes complémentaires et l’estimation des incertitudes expérimentales.
Un corollaire important sera la possibilité d’identifier directement la loi du comportement local, à l’échelle du micron; ce point est une étape clé pour que les modèles micromécaniques deviennent de véritables outils prédictifs.