La transition d’un comportement séismique/instable à un comportement aséismique/stable est observée dans la partie en aval des zones sismogéniques (12-15 km de profondeur). Cette transition est supposée être contrôlée par l’activation de la plasticité de basse température du quartz à ~350°C. À cause de la grande profondeur à laquelle cette transition a lieu, le seul moyen pour étudier les processus physiques qui agissent en ces contestés, est l’étude des anciens prismes d’accrétion exhumés actuellement dans des chaines de montagnes. Le mélange tectonique de Hyuga et l’unité de Morotsuka appartiennent au prisme fossile de Shimanto et sont des unités metasédimentaires déformées à des températures peu inférieures ou égales à la limite fragile/ductile (~250 et ~340°C respectivement). Les résultats des observations de microstructures en microscopie optique et en microscopie électronique à balayage (diffraction des électrons rétrodiffusés) confirment que 1) la pression dissolution et une intense microfracturation sont les mécanismes de déformation principaux du quartz dans le mélange de Hyuga et localement l’activation de la plasticité du quartz est aussi observée; 2) dans l’unité de Morotsuka la recristallisation dynamique du quartz est pleinement active. Ces considérations indiquent que la température n’est pas le seul paramètre qui control l’activation de la plasticité du quartz, et laisse supposer la participation de l’effet adoucissant de l’eau. Avec le but de mieux comprendre le rôle de l’eau sur la rhéologie quartz, des expériences en Presse Griggs ont été menées, le matériel du départ étant de porphyroclasts de quartz (immergés dans une matrice sec) à la fois très riches en eau (provenant du mélange tectonique de Hyuga) et secs (quartz du Brésil). Ces expériences montrent l’effet très adoucissant de l’eau, qui à parité de conditions de déformation, favorise la migration de joint des grains dans le quartz de Hyuga tandis que le quartz du Brésil reste indéformé à exceptions de ses bordures extérieures. L’eau « en excès » est expulsée dans la matrice pour le quartz de Hyuga et stockée dans des bandes de cisaillement C’; l’eau incorporée par le quartz de Brésil n’est pas suffisantes pour favoriser la recristallisation dynamique. / The trasition from instable seismic to stable aseismic behaviour is observed in at the lower limit of the seismogenic zones in subduction zones (12-15 km). This transition is supposed to be controlled by the onset of quartz low grade plasticity at about 350°C. Due to inaccessibility of these geodynamic contests, the only way to study the physical processes acting at these depth are exhumed accretionary prisms exposed in mountain chains. The Hyuga tectonic mélange and the Foliated Morotsuka are metasedimentary units constituting the Shimanto accretionary prism (Japan). They were deformed at temperatures of ~250°C and ~340°C respectively, so slightly lower or equal to the temperature transition. Results by optical microscopy and EBSD reveal that 1) quartz deformation mechanisms active in Hyuga Tectonic Mélange are pressure solution and microfracturation accompanied by local quartz low grade plasticity; 2) dynamic recrystallization is totally active in quartz of the Foliated Morotsuka. These considerations allow to consider the role of water in triggering quartz plasticity especially in such water-rich contest as subduction zones. With the aim to better understand the role played by water on quartz rheology, we deformed high hydrated (from Hyuga unit) and dry (classic Brazil) quartz porphyroclasts within a quartz matrix, with the Griggs apparatus. These experiments show the weakening water effect on quartz strength. At the same deformation conditions, the high hydrated Hyuga quartz show recrystallization by grain boundary migration while the dry Brazil porphyroclasts are mostly undeformed, at exception of the outer recrystallized rims. The exceeding water expulsed from Hyuga quartz is stored in C’ shear bands in the matrix; water absorbed by dry Brazil porphyroclasts is not enough to promote dynamic recrystallization.

Le travail de thèse de doctorat porte sur une étude complète du comportement dynamique de trois aciers de blindage soumis à des impacts balistiques. Dans un premier temps, afin de comprendre les phénomènes mis en jeu pendant la perforation de cibles fines, des essais de caractérisation du comportement thermo-viscoplastique et de rupture ont été réalisés. Les paramètres des lois de comportement et des critères de rupture ont été identifiés pour alimenter un modèle numérique simulant l'essai de perforation. La réponse des cibles impactées par des projectiles coniques a ensuite été évaluée à l'aide d'essais de perforation. Grâce à cette étude, il est possible de valider l'implémentation des lois et des critères réalisée dans des codes de calcul. Un dispositif de mesure des efforts d'impact et de perforation a donc été développé au cours de la thèse. Il fût montré que la mesure des efforts ainsi obtenue n'est pas intrinsèque au matériau impacté mais qu'elle dépend de la réponse globale du dispositif support-cible. Les résultats numériques issus de l’analyse par la méthode des éléments finis (MEF) ont été comparés aux résultats expérimentaux. Il a été observé un bon accord en terme de courbes balistiques, de modes de rupture, d’efforts dynamiques et de bilan énergétique. La modélisation numérique montre que seule une description précise du comportement mécanique des matériaux et de la rupture permet d'avoir une bonne représentation des performances balistiques des aciers étudiés. Une attention toute particulière a été portée sur l’influence de la tri-axialité des contraintes locales initiée par la forme de l’impactant, de la vitesse de déformation et de la température sur le seuil de déformation à la rupture. En perspective, les résultats issus de cette étude pourront servir dans l'analyse de la réponse des aciers de blindage sous chargements par explosif / The main aim of this PhD thesis is to develop a comprehensive study of the dynamic behavior of three armor steels subjected to ballistic impact. In order to have better understanding of the phenomena which take place during the thin targets perforation process, characterization experiments allowing to describe of the thermo-viscoplastic behavior and fracture were carried out. The identification of the constitutive relations and the failure criteria parameters allow to establish a numerical model simulating the perforation test. The ballistic response of armor steels subjected to the impact of conical projectiles was then assessed using perforation testing. This experimental investigation aims at endorsing the implementation of the behavior and fracture models in the calculation software. An experimental set-up for perforation forces measurements was specially developed during the thesis. It has been found that this dynamic force measurement is not intrinsic to the target material. It is rather dependent on the structural response of the used set-up support-target during impact and perforation. The numerical results from the Finite Elements Analysis (FEA) were compared to the experimental data and good agreement was found in terms of ballistic curves, failure patterns, impact forces and energy balance. Numerical investigations show that only an accurate description of the mechanical behavior and the fracture allows a good prediction of the ballistic performances of armor steels. Close attention was paid to the influence of local stress triaxiality induced by the projectile nose shape, strain rate and temperature on the strain to fracture threshold. In the future, these investigations can be used in the behavior analysis of armor steels subjected to blast loading

Le pop-in est un phénomène d’instabilité de propagation de fissure observé lors d’essais de ténacité sur certains matériaux. Ce phénomène a été observé sur l’alliage d’aluminium 6061-T6 qui a été identifié pour constituer des éléments de structure essentiels du cœur du réacteur de recherche Jules Horowitz. Cette thèse a été initiée pour comprendre l’origine de ce phénomène sur l’aluminium 6061-T6 et en proposer une modélisation à bases physiques qui pourra être utilisée pour l’exploitation et l’interprétation des essais de ténacité, notamment à l’état irradié.Les différentes pistes identifiées dans la littérature ont été testées expérimentalement. Des revenus (4/8/12/16 h) ont été appliqués afin d’obtenir différents comportements mécaniques. Des essais de traction avec corrélation d’images ont montré que les pop-ins observés ne sont pas dus à un effet PLC. Ils ne correspondent pas non plus à une hétérogénéité microstructurale ; ils ne sont pas liés à des mécanismes d’endommagement, car la rupture est typiquement ductile, qu’un pop-in soit intervenu ou non. Ces mécanismes et les différentes microstructures ont été comparés par le biais de plusieurs techniques (MEB, EBSD, EDS, Sonde Atomique Tomographique, tomographie, laminographie et nanolaminographie par rayonnement synchrotron). Les pop-ins sont donc uniquement le résultat d’une accélération de la rupture ductile.En réalité, ils sont dus à une interaction entre deux paramètres : une résistance réduite du matériau à la propagation de fissure (i.e. un faible module de déchirement) et une complaisance importante du dispositif d’essai (i.e. une faible raideur). Afin d’investiguer ce deuxième paramètre, un dispositif innovant a été conçu, permettant de faire varier la raideur de la machine d’essai lors d’essais de ténacité. Deux critères analytiques, l’un basé sur la courbe force-ouverture, l’autre sur l’intégrale J, ont été établis, permettant de quantifier les conditions d’amorçage et d’arrêt de pop-in de façon fiable.Pour prendre en compte le rôle central du durcissement vis-à-vis de la propagation ductile, un nouveau critère de germination piloté par les contraintes a été introduit dans un unique modèle GTN. Cela permet de simuler et de reproduire par éléments finis les différentes courbes de ténacité J-Δa en modifiant uniquement la loi élastoplastique. En rajoutant des ressorts dans les modélisations et avec un pilotage adapté, les pop-ins sont simulés avec succès, et restent exploitables avec les critères analytiques.Des études sur éprouvettes irradiées réalisées dans des enceintes blindées ont montré que l’augmentation des pop-ins avec l’irradiation résultait de la diminution du module de déchirement, elle-même due au durcissement. De même qu’à l’état non irradié, les pop-ins apparaissent donc à cause de l’interaction du module de déchirement avec le dispositif d’essai, et non pas à cause d’une gamme d’élaboration industrielle non maitrisée. / Pop-in is a phenomenon of crack propagation instability observed during toughness tests on some materials. This phenomenon has been observed on the 6061-T6 aluminum alloy, which has been identified as an essential structural element of the core of the Jules Horowitz research reactor. This thesis was initiated to understand the origin of this phenomenon on 6061-T6 aluminum and to propose a physics-based modeling, usable for the exploitation and interpretation of toughness tests, especially in the irradiated state.The different origins identified in the literature have been experimentally tested. Different aging times (4/8/12/16h) were applied to obtain different mechanical behaviors. Tensile tests with image correlation have shown that the observed pop-ins are not due to a PLC effect. Nor do they correspond to microstructural heterogeneity; they are not linked to different fracture mechanisms, because the rupture is typically ductile, whether a pop-in is involved or not. These mechanisms and the different microstructures were compared using several techniques (SEM, EBSD, EDS, Atom Probe Tomography, tomography, synchrotron laminography and nanolaminography). Pop-ins are therefore only the result of an acceleration of the ductile fracture.In fact, they are due to an interaction between two parameters: the reduced material crack growth toughness (i.e. the low tearing modulus), and the significant compliance of the test device (i.e. the low stiffness). In order to investigate this second parameter, an innovative setup has been designed to vary the machine stiffness during toughness tests. Two analytical criteria, one based on the load-opening curve, the other on the J-integral, have been established, making it possible to reliably quantify the conditions for initiation and arrest of pop-in.To take into account the central role of hardening for ductile propagation, a new stress-controlled nucleation criterion has been introduced into a single GTN model. This makes it possible to simulate and capture by finite elements the various J-Δa toughness curves by modifying only the elastoplastic law. By adding springs in the models and with an adapted control, the pop-ins are successfully simulated, and remain exploitable with the analytical criteria.Studies on irradiated specimens carried out in hot cells have shown that the increase in pop-ins with irradiation results from the decrease in the tearing modulus, itself due to hardening. As in the non-irradiated state, pop-ins thus appear solely because of the interaction between the tearing modulus and the test device stiffness, and not because of a range of industrial development not mastered.

Dans le cadre du développement de nuances d’aciers toujours plus performantes en termes de résistance à l’effort et à l’endommagement, les aciers Dual-Phase (DP) présentent un bon compromis résistance/ductilité. Cependant, il est nécessaire de disposer de meilleures connaissances concernant les mécanismes menant à la rupture de tels aciers. Les mécanismes d’endommagement ont ainsi été étudiés dans cette thèse à l’aide de la tomographie aux rayons X. Des essais de traction in-situ ont été réalisés sur plusieurs nuances d’aciers DP, un acier ferritique et un acier martensitique afin de caractériser chaque étape de l’endommagement ductile. Des observations qualitatives et des données quantitatives concernant la germination de l’endommagement, la croissance des cavités et la coalescence ont été recueillies lors de ces essais. Ces données quantitatives ont ensuite été utilisées pour le développement et/ou la validation de modèles d’endommagement. Une prédiction de la cinétique de germination a ainsi été proposée et la version du modèle de croissance de cavités de Rice et Tracey corrigée par Huang et prenant mieux en compte l’effet de la triaxialité a été validée expérimentalement. L’étape de coalescence des cavités menant à la rupture des matériaux a pour la première fois été caractérisée de façon quantitative dans un matériau industriel et des critères de coalescence ont été appliqués localement sur les couples de cavités présentes dans le matériau. L’utilisation de ces modèles analytiques a permis une meilleure compréhension des propriétés agissant sur les phénomènes mis en jeu. L’effet de la part cinématique de l’écrouissage sur la germination et la croissance de l’endommagement a notamment été souligné et validé par des essais de chargements complexes. / As part of the current context of requiring ever more efficient grades of steels in terms of resistance to stress and to damage, the Dual-Phase steels (DP) present an acceptable strength/ductility compromise. It is nevertheless necessary to have a better understanding of the mechanisms leading to the fracture of such steels. Damage mechanisms were studied in this PhD using X-ray tomography. In-situ tensile tests were carried out on several grades of DP steel, a ferritic steel and a martensitic steel in order to characterize each step of ductile damage. Qualitative observations and quantitative data on the nucleation of damage, the void growth and the coalescence of cavities were collected during these tests. This quantitative data was then used for the development and/or the validation of damage models. A prediction of the kinetic of nucleation was proposed and the Huang’s correction of the void growth model of Rice and Tracey accounting for the triaxiality was experimentally validated. For the first time, the step of void coalescence leading to fracture of materials was quantitatively characterized in an industrial material and coalescence criteria were locally applied on couples of neighboring cavities present in the studied specimen. The use of analytical models enabled a better understanding of the properties influencing the studied damage phenomena. The effect of the kinematic part of the strain hardening on void nucleation and void growth was notably emphasized and validated by performing complex loading tests.

Ce travail est voué à l'étude de comportement plastique du quartz dans les tectonites, par l'examen au microscope optique des microstructures des sous-structures et des orientations préférentielles de forme et de réseau. en vue d'une analyse cinématique de ces tectonites. Trois zones de grande déformation appelées zones ductiles apportant chacune des contributions spécifiques. sont choisies comme support de l'étude : l'axe Angers- Lanvaux étudié dans la région d'Angers (Massif Armoricain), le Grand Chevauchement Central himalayen au Népal Central et la zone ductile de Maydan (Afghanistan). Le caractère cinématique le plus constant dans ces zones est un écoulement plastique subparallèle à une linéation majeure d'allongement. horizontale ou faiblement pentée ; l'échauffement plastique développé par cet écoulement peut rendre compte, au moins partiellement, du métamorphisme de position lié à ces zones, ainsi que le montre un modèle thermique schématique. Le problème de l'initiation et de la croissance d'une zone ductile est abordé à l'aide d'un modèle basé sur l'existence d'une hétérogénéité locale de la loi de déformation d'une plaque soumise à un couple de cisaillement constant. Un modèle général de zone ductile à plan d'écoulement subverti cal (par opposition aux grands chevauchements) tente d'intégrer les caractéristiques communes à ces zones.

An understanding of crack tip fields and fracture mechanisms in single crystals can help in developing better polycrystalline alloys and manufacturing processes. To this end, the effects of loading rate, material inertia and strain rate sensitivity on crack tip fields and their influence on fracture mechanisms in FCC single crystals are examined in this work by performing finite element analysis. It is shown that, in the absence of inertial effects, high loading rates elevate the stresses ahead of a crack tip and decrease the plastic strains in rate dependent single crystals. Also, it is found that the quasi-static near-tip stress field can be adequately characterized by the energy release rate J and a constraint parameter Q. Similar two-parameter characterization is possible even under dynamic loading. It is observed that if a suitable reference solution is used, the role of inertia manifests as a loss of constraint with increasing loading rate irrespective of strain rate sensitivity and lattice orientation. Thus, at very high loading rates, inertial effects oppose the role of rate sensitivity and cause a decrease in stresses near the tip. The relative influence of these two factors depends on rate sensitivity index. For a mildly rate dependent single crystal, the predicted cleavage fracture toughness remains constant up to a certain loading rate and thereafter increases sharply. On the other hand, for a strongly rate dependent single crystal, fracture toughness drops initially up to a certain loading rate beyond which it increases marginally. The loss of crack tip constraint is found to retard the ductile fracture mechanisms of void growth and coalescence. However, this is dependent on lattice orientation. In-situ experimental observation of void growth near a notch tip also shows strong orientation dependence. In addition, 3D finite element results indicate though-thickness dependence of equivalent plastic slip and hydrostatic stress leading to variations in void growth along the thickness direction of the specimens. The predicted load-displacement curves, lattice rotation, slip traces and void growth using finite element analysis are found to be in good agreement with the experimental observations. Thus, the present study has provided an understanding of the role of several factors such as constraint level, rate sensitivity, material inertia, lattice orientation and 3D effects on the mechanics of fracture of ductile single crystals.

The aim of this dissertation work is the evaluation of the influence of nickel alloying on the structure and mechanical properties, both monotonic and dynamic, of nodular cast iron with ferritic and bainitic matrix. Two chock melts with 0.5 and 2.7 % Ni were used to study the nickel influence. The quantitative evaluation of structure of these melts using image analysis was done and basic tensile mechanical properties were determined. Subsequently, the time optimization of two-stage ferritic annealing and isothermal austempered heat treatment at 375 °C was performed with the aim to obtain optimal ferritic and bainitic structures with best static and dynamic mechanical properties. After ferritic annealing the nickel alloying contributes to substitution hardening of ferritic matrix which positively affects its strength and other mechanical properties. The higher nickel content in the bainitic structure causes the shift of phase transformation times to longer times which results in restricted production of small carbides and in bigger volume of retained austenite. These features were confirmed by observation in transmission electron microscope. Precise tensile and low cycle fatigue tests at temperatures 23 and – 45 °C were performed on the optimized structures of both nodular cast irons. As a result of the notch effect of graphite nodules, microplastic deformation of both nodular cast irons was observed at stresses which were lower than the yield stress. The Hollomon's equation very well describes the individual parts of tensile curves for both nodular cast irons including their mutual comparison. From the low cycle fatigue tests, the cyclic hardening/softening curves, the evolution of elastic modulus and hysteresis loop shape parameters, cyclic stress-strain curves and fatigue life curves were obtained for both temperatures and materials. Moreover, the decrease of retained austenite volume was measured by neutron diffraction and the evolution of surface relief was characterized during cyclic straining for both austempered nodular cast irons at both temperatures. On the basis of these results both cyclic plasticity and fatigue degradation mechanisms in relation to the cyclic strain localization were described for both nodular cast irons.

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Les composants monocristallins fonctionnant à des températures élevées sont soumis à des conditions de chargement thermo-mécanique sévères. La géométrie et le comportement de ces composants sont très complexes. Un défi majeur est de développer des modèles mathématiques afin de prévoir l'initiation et la propagation de fissures en présence de contraintes importantes et de forts gradients de température. Dans ce cas, le comportement élastoviscoplastique fortement anisotrope du matériau étudié (superalliage à base Ni) doit être pris en compte. Le modèle correspondant doit être en mesure de rendre compte de la croissance anisotrope des fissures et de leur bifurcation dans des champs de contrainte complexes. De plus, le modèle doit être capable de prédire non seulement le taux de croissance des fissures mais aussi les chemins de fissuration. La mécanique de l'endommagement anisotrope est un cadre théorique bien adapté au développement de modèles de croissance de fissures dans les monocristaux. Au cours d'études précédentes, une loi de comportement couplant plasticité cristalline et endommagement cyclique a été développée, démontrant l'intérêt de cette approche, mais aussi ses limites, notamment du fait de la dépendance au maillage des résultats. Le développement récent de modèles non-locaux dans le cadre de la mécanique des milieux continus pourrait ainsi aider à surmonter ces difficultés. Une grande base expérimentale existe concernant l'initiation et la propagation de fissures dans les superalliages monocristallins à base de nickel. Les simulations thermomécaniques par éléments finis des aubes de turbine fournissent des informations détaillées sur la distribution des contraintes et des déformations plastiques, en particulier près de singularités géométriques comme les trous et les fentes de refroidissement. Tout d'abord, sur la base de la théorie de la plasticité cristalline qui établit un lien solide entre les contraintes et les déformations plastiques, un modèle découplé en mécanique de l'endommagement basé sur l'historique des calculs par éléments finis sera présenté. Ensuite, un modèle d'endommagement incrémental basé sur les milieux généralisés sera proposé et enfin, les prédictions du modèle pour l'initiation et la croissance de micro-fissures en résolvant le problème de dépendance au maillage seront discutés.

The presented work is concerning with ductile fracture problematic under monotonic loading which is result of gradual material degradation at large plastic deformation. At present, a large number of models, which calibration is not trivial, are used for its prediction. Ductile fracture mechanisms and cut-off region are described in the literature search part. Next, there is given a summary of criteria which are based on different approaches to ductile fracture. There were proposed and used KHPS and KHPS2 criteria within this PhD thesis. Procedure of assessment of the stress-strain curve and ductile fracture criteria calibration are described in last part of the literature search. A summary of tests, which were done in order to calibrate chosen criteria, is given in experimental part. Various stress states within broad range of stress triaxiality and Lode parameter were reached using these tests. Special type of specimen, by which very low stress triaxiality value is reached, was designed within this work. All specimens were made from the steel 12 050. Wrought rods of one melt with circular cross-section of 27 mm in diameter were used as semi-product. Calibration of chosen ductile fracture criteria was performed using foregoing tests. These criteria were implemented by author into explicit finite element software ABAQUS/Explicit using user subroutine VUMAT. Chosen criteria were used for simulation of multistep extrusion at which formation of internal central cracks occurs. These criteria were also used for simulation of cutting of circular cross-section rods. Results from simulation were compared to experiments which were done by industrial partner J-VST.