Etude experimentale et numerique de la plasticité dans le polycrystal – 3DiPolyPlast

Comprendre les mécanismes de déformation des matériaux polycristallins qui conduisent à la ruine des structures est un défi majeur en sciences des matériaux. D'importants progrès ont été réalisés durant les vingt dernières années grâce aux techniques expérimentales de pointe et aux méthodes de simulations avancées. Malgré cela, la localisation de la plasticité en bandes de glissement et la propagation d’une déformation localisée au sein d'un agrégat polycristallin restent un problème ouvert. Le plus grand défi étant sans doute notre capacité à produire des observations in situ avec une résolution allant de l'échelle de la dislocation à celle de l'agrégat polycristallin.

3DiPolyPlast vise à répondre à ce défi en combinant d’une part les meilleures techniques de microscopie électronique ou de rayonnement X de haute énergie et, d’autre part, des simulations multi-échelles de la plasticité cristalline. Cette double approche sera appliquée au nickel polycristallin pour lequel les mécanismes élémentaires de déformation sont bien connus. Nous étudierons dans un même volume contenant une centaine de grains, les premiers stades de la déformation plastique, à la fois en surface et au cœur du matériau. Grâce à la jouvence technique du synchrotron européen prévue en 2020, pour la première fois, l’observation 3D de cette plasticité deviendra possible de façon répétée après plusieurs incréments de déformation et avec une résolution atteignant 100 nm.

Nos observations expérimentales seront ensuite comparées à des simulations réalisées sur des copies numériques des microstructures 3D mesurées. Dans l'approche de simulation multi-échelles proposée, des simulations de dynamique des dislocations (DD) seront mises en oeuvre afin de modéliser les propriétés individuelles et collectives des dislocations à l'échelle mésoscopique. Ainsi, ces simulations reproduiront de manière naturelle les concentrations de contraintes à l'origine de la localisation de la déformation en bandes de glissement dans un grain. Modéliser fidèlement un agrégat polycristallin avec cette technique reste un large défi et pour cela nous utiliserons l'approche dite du modèle discret-continue (DCM) qui couple une simulation de plasticité cristalline continue résolue par éléments finis sur le polycristal complet avec une simulation DD d'un grain en son sein. En transformant la cartographie 3D d'orientation de chaque éprouvette en un maillage utilisable par les simulations DCM, une comparaison fine pourra être établie avec les essais in situ. L'analyse numérique des différentes conditions expérimentales permettra de statuer sur les mécanismes physiques de localisation de la déformation et de la propagation de la plasticité de grain en grain. Ce travail ouvrira la voie à une description plus précise et plus physique des lois constitutives de la plasticité cristalline.

Les ambitions clés de ce projet peuvent être résumées par les 4 points suivants :
1. repousser les frontières de la caractérisation volumique de la plasticité
2. déterminer la contribution des bandes de glissement et de leur localisation dans la plasticité de grains individuels
3. identifier les mécanismes à la base de la propagation de la plasticité dans le polycristal
4. améliorer la modélisation mésoscopique de la plasticité cristalline en utilisant des microstructures réelles 3D