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Explaining the work-hardening behavior of crystalline materials and the size dependent plasticity has been a long lasting problem. Plastic deformation mainly arises from the collective motion of dislocations. Although individual dislocation processes are well studied, the study of the overall effects of these processes was challenging before the emergence of computer modeling. Of the computer simulation techniques, discrete dislocation dynamics (DDD) is the most suitable method to model thin films at the micron scale and below. This method allows us to study the quantitative effects of certain mechanisms. / Engineering and Applied Sciences

La déformation plastique des matériaux cristallins classiques est surtout dominée par des dislocations et leurs interactions mutuelles. Pour les métaux nanocrystallines (nc), des mécanismes de joints de grains différents peuvent exister en plus des mécanismes basés sur la dislocation. La dépendance à l’égard, entre autres, la forme du grain, l’orientation des grains, la densité de dislocations initiale, la structure des joints de grains et conditions extérieures favorise un ou deux mécanismes de déformation par rapport aux autres. Ces mécanismes dominants dictent la réponse globale du métal nc. L’influence des caractéristiques de microstructure doit être mieux comprise individuellement et collectivement. Dans le cadre de cette thèse, des simulations de dynamique des dislocations discrète 3D (DD) ont été effectuéessur trois grains individuels de taille micronique de même volume, mais qui diffèrent leurs rapports d’aspect. La diminution de la localisation de la déformation plastique avec l’augmentation de rapport d’aspect du grain à été observée. En raison du mécanisme inter-dérapant amélioré, des grains ayant rapport de un aspect plus elevé. La réponse plastique anisotrope des grains allongés a été quantifiée en terme d’ampleur du back-stress sur chaque système de glissement. En outre, une version polycristalline de dynamique des dislocations couple avec des éléments finis a été utilisée pour étudier le comportement mécanique des couches minces de palladium libre avec des grains colonnaires. La densité de dislocations initiale prise en compte dans les simulations est proche de celle mesurée expérimentalement. Les simulationsde DD d’un polycristal avec 12 grains hexagonaux de tailles égales reproduisent correctement le comportement d’écrouissage. L’augmentation de la résistance observée avec la diminution de l’épaisseur du film a été capturé en utilisant une distribution de taille de grains hétérogène du polycristal. L’élément essentiel est que la probabilité de grains plus petits sans dislocations initiales augmente avec la diminution de l’épaisseur du film. La différence dans les contributions en back-stress résultant de la distribution de la taille des grains dans le film a également été quantifiée. Enfin, en adaptant le modèle de Read, l’influence d’une dislocation statique électriquement chargée sur les propriétés électriques des semi-conducteurs a été étudiée. / Plastic deformation of classical crystalline materials is mostly dominated by dislocations and their mutual interactions. In nanocrystalline (nc) metals, different grain boundary mechanisms may exist in addition to the dislocation-based mechanisms. The dependency on, among other, the grain shape, grain orientation, initial dislocation density, grain boundary structure and external conditions will promote one or two deformation mechanisms over others. These dominant mechanisms dictate the overall response of nc metal. The influence of the microstructural features needs to be better understood individually and collectively. In the scope of the thesis, 3D discrete dislocation dynamics (DD) simulations were performed on three micron-sized single grains of same volume but differing in aspect ratios. Localization of plastic deformation was observed to decrease with increasing grain aspect ratio. Due to the enhanced cross-slip mechanism, grains with higher aspectratio exhibit a softer behavior. The anisotropic plastic response of elongated grains was quantified interms of the magnitude of back-stress on each slip system. Further, a polycrystalline version of dislocation dynamics code coupled with a finite elements was used, to study the mechanical behavior of free-standing palladium thin films with columnar grains. The initial dislocation density considered in the simulations is close to the one measured experimentally. DD simulations of a polycrystal with 12 equally sized hexagonal grains properly reproduce the strain hardening behavior. The increase in strength observed with decreasing film thickness was captured using a heterogenous grain size distribution of the polycrystal. The key element is that the probability of smaller grains with no inital dislocations is increasingwith decreasing thickness of the film. Difference in the back-stress contributions arising from the grain size distribution in the film was also quantified. Finally, by adapting Read’s model, the influence of a static, electrically-charged dislocation on electrical properties in semiconductors was studied.

La prédiction de la géométrie d'une pièce mise en forme par déformation plastique grâce à un logiciel de calcul par éléments finis (EF) s'effectue en suivant séquentiellement différentes étapes : la caractérisation thermo-mécanique du matériau, la modélisation de son comportement et son intégration dans un logiciel EF, puis la mise en données et la simulation de l'opération de formage. La phase de modélisation consiste entre autre à identifier quel type de modèle de comportement est le plus approprié pour prédire les réactions du matériau lors de l'opération de formage. Ces modèles sont essentiellement développés dans le cadre de la mécanique des milieux continus (MMC). L'hypothèse forte, si ce n'est centrale, de la MMC consiste à considérer que les variables qui servent à déterminer le comportement du matériau sont continues et dérivables. Cependant, les connaissances les plus élémentaires de métallurgie indiquent que les grandeurs locales dans les matériaux métalliques sont discontinues. La majorité des modèles de comportement mécanique des matériaux métalliques repose sur la définition d'un volume élémentaire représentatif dont la taille est assez grande pour permettre une homogénéisation de la description du comportement en gommant l'influence des hétérogénéités localesL'objet de ces travaux est de montrer que la prise en compte des hétérogénéités locales dans la modélisation du comportement des matériaux métalliques est pertinente et contribue à l'amélioration de la prédiction des simulations d'opérations de mise en forme en élargissant le potentiel prédictif des modèles ainsi construits. Un modèle élasto-plastique prenant en compte les hétérogénéités locales est alors proposé. / To obtain a relevant shape of a formed part during its finite element simulation, several steps are needed: thermo-mechanical caracterization of the material, definition of the most relevant model and integration of this model in the FE software and finally after data converting and computing processes. The modelling step include, among other things, the identification of the most appropriate model to fit the experimental material behaviour. Those models are essentially developped within the framework of continuum mechanics (CM). A strong, if not the main assumption of the CM consists in considering that mechanical description variables are continuous and differentiable. However, the basic knowledge of metallurgy indicates that local data in metallic materials are discontinuous. For metallic materials, the majority of constitutive models are based on the definition of a representative elementary volume (REV). This REV is supposed to be large enough to erase the incidence of local heterogeneities. Then those constitutive models are assumed to be homogeneous.The aim of this work is to show that introducing local heterogeneities in the description of constitutive models is relevant and contribute to improve the simulation accuracy. Those models also provide an enlargement of the simulation predictive potential. Then an elasto-plastic model, based on local heterogeneities description, is proposed.

Plasticity in crystalline solids is controlled by the microscopic line defects known as “dislocations”. Decisive role of dislocations in crystal plasticity in addition to fundamentals of plastic deformation are presented in the current thesis work. Moreover, major features of numerical modeling method “Discrete Dislocation Dynamics (DDD)” technique are described to elucidate a powerful computational method used in simulation of crystal plasticity. First part of the work is focused on the investigation of strain rate effect on the dynamic deformation of crystalline solids. Single crystal copper is chosen as a model crystal and discrete dislocation dynamics method is used to perform numerical uniaxial tensile test on the single crystal at various high strain rates. Twenty four straight dislocations of mixed character are randomly distributed inside a model crystal with an edge length of 1 µm subjected to periodic boundary conditions. Loading of the model crystal with the considered initial dislocation microstructure at constant strain rates ranging from 103 to 105s1 leads to a significant strain rate sensitivity of the plastic flow. In addition to the flow stress, microstructure evolution of the sample crystal demonstrates a considerable strain rate dependency. Furthermore, strain rate affects the strain induce microstructure heterogeneity such that more heterogeneous microstructure emerges as strain rate increases. Anisotropic characteristic of plasticity in single crystals is investigated in the second part of the study. Copper single crystal is selected to perform numerical tensile tests on the model crystal along two different loading directions of [001] and [111] at two high strain rates. Effect of loading orientation on the macroscopic behavior along with microstructure evolution of the model crystal is examined using DDD method. Investigation of dynamic response of single crystal to the mechanical loading demonstrates a substantial effect of loading orientation on the flow stress. Furthermore, plastic anisotropy is observed in dislocation density evolution such that more dislocations are generated as straining direction of single crystal is changed from [001] to [111] axis. Likewise, strain induced microstructure heterogeneity displays the effect of loading direction such that more heterogeneous microstructure evolve as single crystal is loaded along [111] direction. Formation of slip bands and consequently localization of plastic deformation are detected as model crystal is loaded along both directions. / <p>QC 20151015</p>