Thesis (doctoral)--Paris 8, 1999.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Techn. University, Diss., 2004--Braunschweig.

Durant ces dernières années la déformation plastique est de plus en plus souvent étudiée du point de vue de la dynamique des systèmes complexes, caractérisée par l'auto-organisation et impliquant plusieurs échelles. Le présent travail est une étude multi-échelles de la dynamique collective de dislocations dans un alliage AlMg sujetà l'effet Portevin-Le Chatelier (PLC). Pour atteindre cet objectif nous avons réalisé l'enregistrement simultané des courbes de traction, de l'émission acoustique (EA) et du champ de déformations locales, ainsi que la caractérisation quantitative de la complexité grâce aux analyses statistique et multifractale. Le travail de thèse a permis de montrer que la manifestation apparente des processus de déformation plastique dépend de l'échelle d'observation. L'analyse de l'EA a révélé un comportement intrinsèquement intermittent et invariant d'échelles dans toutes les conditions expérimentales. Ces résultats suggèrent qu'aux échelles associées à l'EA, la plasticité peut être gouvernée par une dynamique universelle, qu'elle soit liée à l'instabilité PLC ou à un écoulement macroscopiquement homogène. Malgré le caractère ubiquitaire de cette observation, le champ de déformations locales montre des processus de déformation ondulatoires, et l'analyse statistique des chutes de contrainte révèle des échelles caractéristiques. Une hypothèse de synchronisation des avalanches des dislocations est avancée afin d'expliquer dans certaines conditions expérimentales le passage de l'échelle mésoscopique à l'échelle macroscopique / In recent years, the plastic deformation more and more often studied in terms of the dynamics of complex systems, which is characterized by self-organization and involves various scales. This work presents a multi-scale investigation of the collective behavior of dislocations in an AlMg alloy prone to the Portevin-Le Chatelier (PLC) effect. To achieve this goal we have performed simultaneous recording of tensile curves, acoustic emission (AE), and local strain field, as well as quantitative characterization of the complexity through statistical and multifractal analyses. The results obtained proved that the apparent manifestations of the plastic deformation processes depend on the scale of observation. The analysis of the AE data revealed an inherently intermittent and scale-invariant behavior in all experimental conditions. These results suggest that at the scales pertaining to the AE, the plasticity may be governed by a universal dynamics, be it related to the PLC instability or macroscopically homogeneous flow. Despite the ubiquitous nature of this observation, the local strain field uncovers wave-like deformation processes, and the statistical analysis of stress serrations reveals characteristic scales. Synchronization of dislocation avalanches is conjectured to explain (under some experimental conditions) the transition from the mesoscopic to the macroscopic scale

Le vieillissement dynamique se manifeste en particulier par le phénomène de Portevin-Le Chatelier (PLC). Il se produit dans les aciers aux environs de 200°C pour des sollicitations quasi-statiques. Dans les aciers au C-Mn, il conduit à une chute de ductilité et de ténacité qui doit être prise en compte dans le dimensionnement des structures de sûreté. L’objectif de la thèse consiste à modéliser le comportement mécanique des aciers au C-Mn en tenant compte du vieillissement dynamique et à prédire leur rupture ductile en présence de ce phénomène. Le comportement mécanique du matériau étudié, un acier au C-Mn, a été caractérisé par des essais de traction simple. Le modèle KEMC implémenté dans le code de calculs par éléments finis Zébulon, a été identifié sur ces essais : l’effet de Portevin Le-Chatelier (PLC) a été correctement simulé sur les éprouvettes lisses, entaillées et CT. Nous avons montré l’importance des conditions aux limites dans la manifestation du PLC. Pour la rupture ductile, l’application du critère de Rice et Tracey (identifié à 20°C) sur les éprouvettes entaillées AE4 montre que la prise en compte du vieillissement dynamique dans le comportement ne suffit pas pour avoir une bonne prédiction de la rupture. Des études micromécaniques de croissance de cavité indiquent que les localisations de PLC peuvent favoriser la croissance et la coalescence de cavité. L’écrouissage apparent, qui dépend du durcissement par la déformation mais aussi du durcissement provenant du vieillissement dynamique, modifie la vitesse de croissance de cavité, mais pas le taux critique de croissance de cavité. On identifie une loi d’endommagement dont les paramètres dépendent de la température à partir des calculs micromécaniques. Le nouveau modèle donne une meilleure prédiction que le modèle de Rice et Tracey sur les éprouvettes entaillées AE4 et a permis de prédire un creux de ténacité sur les éprouvettes CT. Pour améliorer les prédictions, la loi d’endommagement doit dépendre de la vitesse de déformation. / The dynamic strain aging is manifested especially by the Portevin-Le Chatelier (PLC) phenomenon. It appears in steels around 200°C at quasi static solicitation conditions. In C-Mn steels, it leads to a drop of ductility and of toughness which should be taken into account in the design of safety structures. The thesis aims to model the mechanical behavior of the C-Mn steels taking into account the dynamic strain aging and to predict the ductile fracture of these steels in the presence of the phenomenon. The mechanical behavior of the material studied, a C-Mn steel, was characterized using tensile tests. The KEMC model, which was implemented in the Finite Element program Zébulon, was identified using these tests: the Portevin-Le Chatelier (PLC) effect was correctly simulated on the tensile specimens, the notched specimens and the CT specimens. We showed the importance of boundary conditions in the occurrence of the PLC effect. As far as the ductile fracture is concerned, the application of the Rice and Tracey’s criterion (identified at 20°C) on the notched specimens AE4 showed that the consideration of the dynamic strain aging in the behavior was insufficient to give a good prediction of the fracture. Micromechanical studies of the growth of voids showed that PLC localizations can facilitate the growth and the coalescence of voids. The nominal strain hardening, which depends on the strain hardening and the hardening due to the dynamic strain aging, does not modify the critic growth ratio of voids but the growth rate of voids. We identified a damage model using micromechanical simulations. The parameters of this damage model depend on temperature. The new model gave a better prediction than the Rice and Tracey model on the notched specimens AE4 and it also allowed predicting the drop of toughness on the CT specimens. To improve the prediction of fracture, le damage law must depend on strain rate.

Este trabalho apresenta uma reflexão sobre o papel do princípio de Le Chatelier desde a sua criação e algumas implicações no ensino de química. Foram levantados aspectos históricos da evolução do princípio com o objetivo de discutir características como, por exemplo: o caráter universal do mesmo, problemas e limitações quanto à sua aplicação e possíveis alternativas ao uso do princípio. Também foram analisados como os livros didáticos de química no nível médio tratam muitos destes aspectos. Além disto, é realizada uma discussão nestes textos didáticos a respeito das variáveis que influenciam no estado de equilíbrio tais como: concentração, pressão, catalisador e temperatura. Um aspecto presente na análise destas variáveis foi o levantamento de ilustrações presentes nos livros baseando-se nos níveis de representação presentes no triângulo de Johnstone. Os principais resultados mostraram que os autores de livros de Química do Ensino Médio apresentam o conceito do princípio de Le Chatelier marcado por um caráter indutivo, vago, ambíguo, e sem apresentar uma fundamentação teórica e suas limitações, enfatizando-o como um princípio infalível ou uma verdade absoluta. Perpetuou-se no ensino de química, ao longo do tempo, a formulação mais simples e popular criada por Le Chatelier, no ano de 1888. Outra conclusão importante refere-se ao fato de a maioria das figuras presentes nos livros didáticos estar relacionada ao nível macroscópico e a concentração é a alteração mais discutida. Poucas são as figuras que interligam os três vértices do triângulo. Resta ao professor o desafio de incluir as ilustrações faltantes, principalmente as microscópicas pois estas têm o objetivo de explicar aos estudantes o que ocorre do ponto de vista molecular quando se altera o estado de equilíbrio químico. Portanto, este tratamento superficial do princípio pode favorecer processos de ensino-aprendizagem baseados na memorização, repetição e na sua utilização sem a compreensão exata dos fenômenos envolvidos. / This work presents a reflection on the role of the Le Chatelier\"s principle concerned by its creation and some implications in the teaching of chemistry. The main purpose was to analyze as high school chemical textbooks approach with this subject. For this, historical aspects of the evolution of the principle were studied with the objective of discussing important characteristics, for example: the universal character of the principle, his problems and limitations regarding their applications to previse changes in chemical equilibrium systems and the possible alternatives to the use of the principle. It was found that the principle formulations were similar to that more simple and popular wrote by Le Chatelier, in the year of 1888. It was also made an analysis of how the textbooks address the issue of variables that influence in the state of equilibrium such as: concentration, pressure, catalyst and temperature. Also was analyzed the illustrations present in these books with the objective of address the equilibrium change based in the of Johnstone\"s triangle (that explicitly shows the macroscopic, microscopic and representational levels of chemical knowledge). The main results showed that the majority of the figures in textbooks refers only to macroscopic level and the effects done by of the equilibrium reactants concentration change. There are few figures which are related the three levels represented in the Johnstone\"s triangle. Is very important that teachers include the illustrations missing, mainly the microscopic level, once that this level is essential to correct understand of chemical equilibrium change in the molecular level. In general, the authors of chemical textbooks present the Le Chatelier\"s principle in an inductive manner, vague and ambiguous. They never present theoretical aspects and limitations in the application of the principle. This stresses the infallible character of Le Chatelier\"s principle and transmits the idea that it is an absolute truth. This superficial treatment of the principle can encourage processes of teaching-learning based on memorization and the students can correctly use the principle in the problems solutions without have an exact understanding the phenomena.

Este trabalho apresenta uma reflexão sobre o papel do princípio de Le Chatelier desde a sua criação e algumas implicações no ensino de química. Foram levantados aspectos históricos da evolução do princípio com o objetivo de discutir características como, por exemplo: o caráter universal do mesmo, problemas e limitações quanto à sua aplicação e possíveis alternativas ao uso do princípio. Também foram analisados como os livros didáticos de química no nível médio tratam muitos destes aspectos. Além disto, é realizada uma discussão nestes textos didáticos a respeito das variáveis que influenciam no estado de equilíbrio tais como: concentração, pressão, catalisador e temperatura. Um aspecto presente na análise destas variáveis foi o levantamento de ilustrações presentes nos livros baseando-se nos níveis de representação presentes no triângulo de Johnstone. Os principais resultados mostraram que os autores de livros de Química do Ensino Médio apresentam o conceito do princípio de Le Chatelier marcado por um caráter indutivo, vago, ambíguo, e sem apresentar uma fundamentação teórica e suas limitações, enfatizando-o como um princípio infalível ou uma verdade absoluta. Perpetuou-se no ensino de química, ao longo do tempo, a formulação mais simples e popular criada por Le Chatelier, no ano de 1888. Outra conclusão importante refere-se ao fato de a maioria das figuras presentes nos livros didáticos estar relacionada ao nível macroscópico e a concentração é a alteração mais discutida. Poucas são as figuras que interligam os três vértices do triângulo. Resta ao professor o desafio de incluir as ilustrações faltantes, principalmente as microscópicas pois estas têm o objetivo de explicar aos estudantes o que ocorre do ponto de vista molecular quando se altera o estado de equilíbrio químico. Portanto, este tratamento superficial do princípio pode favorecer processos de ensino-aprendizagem baseados na memorização, repetição e na sua utilização sem a compreensão exata dos fenômenos envolvidos. / This work presents a reflection on the role of the Le Chatelier\"s principle concerned by its creation and some implications in the teaching of chemistry. The main purpose was to analyze as high school chemical textbooks approach with this subject. For this, historical aspects of the evolution of the principle were studied with the objective of discussing important characteristics, for example: the universal character of the principle, his problems and limitations regarding their applications to previse changes in chemical equilibrium systems and the possible alternatives to the use of the principle. It was found that the principle formulations were similar to that more simple and popular wrote by Le Chatelier, in the year of 1888. It was also made an analysis of how the textbooks address the issue of variables that influence in the state of equilibrium such as: concentration, pressure, catalyst and temperature. Also was analyzed the illustrations present in these books with the objective of address the equilibrium change based in the of Johnstone\"s triangle (that explicitly shows the macroscopic, microscopic and representational levels of chemical knowledge). The main results showed that the majority of the figures in textbooks refers only to macroscopic level and the effects done by of the equilibrium reactants concentration change. There are few figures which are related the three levels represented in the Johnstone\"s triangle. Is very important that teachers include the illustrations missing, mainly the microscopic level, once that this level is essential to correct understand of chemical equilibrium change in the molecular level. In general, the authors of chemical textbooks present the Le Chatelier\"s principle in an inductive manner, vague and ambiguous. They never present theoretical aspects and limitations in the application of the principle. This stresses the infallible character of Le Chatelier\"s principle and transmits the idea that it is an absolute truth. This superficial treatment of the principle can encourage processes of teaching-learning based on memorization and the students can correctly use the principle in the problems solutions without have an exact understanding the phenomena.

L'alliage 718 est le superalliage le plus utilisé industriellement du fait de ses excellentes propriétés mécaniques, ainsi que de sa tenue à l'oxydation et à la corrosion dans une large gamme de températures et de modes de sollicitation. Néanmoins, cet alliage présente une sensibilité vis-àvis des phénomènes de corrosion sous contrainte et fissuration assistée par l'oxydation sous contrainte dans les gammes de température de service. Les mécanismes à l'origine de ce phénomène restent encore mal compris, cependant un lien entre le changement de mode de rupture et les domaines d'apparition d'instabilités de l'écoulement plastique est clairement établi. Au cours de cette étude nous avons étudié ce phénomène d'instabilités, effet Portevin Le Chatelier, de l'alliage 718 au cours d'essais de traction menés dans une large gamme de températures et de vitesses de déformation. Différents domaines d'instabilités ont pu être mis en évidence, dont les caractéristiques suggèrent l'interaction des dislocations avec des solutés de différentes natures : interstitiels aux plus basses températures, et substitutionnels pour les températures les plus élevées. Des essais de spectroscopie mécanique sur l'alliage 718 et des alliages de compositions voisines montrent un effet de la mobilité des atomes de molybdène au sein du matériau dans cette gamme de températures. Des essais dédiés à l'étude des phénomènes d'interaction entre plasticité et oxydation ont aussi été réalisés. Les résultats mettent en évidence un fort effet de vitesse sur les propriétés mécaniques de l'alliage 718 en atmosphère inerte et sur les caractéristiques de l'endommagement intergranulaire assisté par l'oxydation lors d'essais sous air laboratoire. La discussion engendrée par l'ensemble des résultats présentés permet d'émettre certaines hypothèses sur les couplages entre mécanismes de déformation et endommagement par l'oxydation à l'origine des phénomènes de fissuration observés. / Alloy 718 is the superalloy the most widely used in industry due to its excellent mechanical properties, as well as oxidation and corrosion resistance in wide range of temperatures and solicitation modes. Nevertheless, it is a well-known fact that this alloy is sensitive to stress corrosion cracking and oxidation assisted cracking under loading in the range of temperatures met in service. Mechanisms explaining this phenomenon are not well understood: nevertheless, it is well established that a relation exists between a change in fracture mode and the apparition of plastic instabilities phenomenon. During this study, the instability phenomenon, Portevin-Le Chatelier effect, in alloy 718 was studied by tensile tests in wide ranges of temperatures and strain rates. Different domains of plastic instabilities have been evidenced. Their characteristics suggest the existence of interactions between dislocations and different types of solute elements: interstitials for lower temperatures and substitutionals for higher testing temperatures. Mechanical spectroscopy tests have been performed on alloy 718 and various alloys which composition is comparable to that of alloy 718. These tests prove the mobility of molybdenum atoms in the alloy in the studied temperature range. Specific tests have been performed to study interaction phenomenon between plasticity and oxidation. These results highlight the strong effect of plastic strain rate on both mechanical behavior and intergranular cracking in alloy 718. The subsequent discussion leads to propose hypothesis on coupling effects between deformation mechanisms and oxidation assisted embrittlement in the observed cracking processes.

Le vieillissement dynamique se manifeste en particulier par le phénomène de Portevin-Le Chatelier (PLC). Il se produit dans les aciers aux environs de 200°C pour des sollicitations quasi-statiques. Dans les aciers au C-Mn, il conduit à une chute de ductilité et de ténacité qui doit être prise en compte dans le dimensionnement des structures de sûreté. L'objectif de la thèse consiste à modéliser le comportement mécanique des aciers au C-Mn en tenant compte du vieillissement dynamique et à prédire leur rupture ductile en présence de ce phénomène. Le comportement mécanique du matériau étudié, un acier au C-Mn, a été caractérisé par des essais de traction simple. Le modèle KEMC implémenté dans le code de calculs par éléments finis Zébulon, a été identifié sur ces essais : l'effet de Portevin Le-Chatelier (PLC) a été correctement simulé sur les éprouvettes lisses, entaillées et CT. Nous avons montré l'importance des conditions aux limites dans la manifestation du PLC. Pour la rupture ductile, l'application du critère de Rice et Tracey (identifié à 20°C) sur les éprouvettes entaillées AE4 montre que la prise en compte du vieillissement dynamique dans le comportement ne suffit pas pour avoir une bonne prédiction de la rupture. Des études micromécaniques de croissance de cavité indiquent que les localisations de PLC peuvent favoriser la croissance et la coalescence de cavité. L'écrouissage apparent, qui dépend du durcissement par la déformation mais aussi du durcissement provenant du vieillissement dynamique, modifie la vitesse de croissance de cavité, mais pas le taux critique de croissance de cavité. On identifie une loi d'endommagement dont les paramètres dépendent de la température à partir des calculs micromécaniques. Le nouveau modèle donne une meilleure prédiction que le modèle de Rice et Tracey sur les éprouvettes entaillées AE4 et a permis de prédire un creux de ténacité sur les éprouvettes CT. Pour améliorer les prédictions, la loi d'endommagement doit dépendre de la vitesse de déformation.

es instabilités mécaniques associées à l'effet Portevin Le Chatelier (PLC) se manifestent par des hétérogénéités macroscopiques sous forme de bandes de localisation de la déformation plastique. Ce phénomène affecte les propriétés mécaniques du matériau et réduit la qualité du produit lors de la fabrication par mise en forme.<br />Nous avons étudié le comportement instable de la déformation plastique dans une série d'alliages d'Aluminium Magnésium dilués industriels largement utilisés pour la fabrication de pièces mécaniques par emboutissage. <br />Pour la caractérisation des instabilités PLC dans ces matériaux, les essais mécaniques ont été réalisés en traction uniaxiale à vitesse de déformation imposée. Les conditions d'apparition et de propagation des bandes de localisation de la déformation plastique liées au phénomène PLC ont été étudiées dans une large gamme de vitesses de déformation à température ambiante. L'influence de la teneur en élément d'alliage (Mg) sur les caractéristiques des instabilités est clairement établie. Nos résultats confirment l'existence d'une sensibilité négative de la contrainte d'écoulement par rapport à la vitesse de déformation dans l'ensemble du domaine de l'effet PLC. Nous montrons que le mode de propagation des bandes PLC dépend non seulement de la vitesse de déformation imposée mais aussi du taux d'écrouissage du matériau.<br />Parallèlement au dispositif d'essai de traction classique nous avons enregistré les variations des champs de déplacement et de température en surface de l'éprouvette au cours de la déformation plastique. L'analyse par corrélation d'images de ces données a permit de mettre en évidence les différents modes de génération et de propagation des bandes A, B et C caractéristiques de l'effet PLC. Les paramètres physiques relatifs aux bandes PLC tels que largeur, vitesse de propagation et de déformation à l'intérieur de la bande ont été quantifiés. Nos investigations montrent, grâce à l'analyse des enregistrements par thermographie infrarouge, que l'instabilité PLC est associée à un saut de température propre à chaque type de bande en même temps qu'une décharge élastique ressentie par l'ensemble de l'éprouvette.<br />En rapport avec le développement actuel dans le domaine de la modélisation du comportement mécanique des matériaux, l'analyse de la déformation plastique instable donne accès à des paramètres indispensables pour la mise au point de simulations par éléments finis réalistes.