Les travaux exposés dans cet ouvrage portent sur le comportement mécanique de l'oxyde de magnésium (MgO) sous nanoindentation. L'étude est plus particulièrement focalisée sur les mécanismes élémentaires de déformation précédant et accompagnant le pphénomène de pop-in. L'observation de la surface autour des zones indentées, et en particulier des lignes de glissement, a été réalisée par microscopie à force atomique (AFM). La structure en volume des dislocations nucléées lors de l'essai de nanoindentation a été explorée par une technique de tomographie couplant polissage mécano-chimique (CMP) et nano-attaque chimique. Ces études expérimentales ont été confrontées à des simulations numériques menées à l'aide d'un code de dynamique de dislocations discrètes (DDD) couplé à un code éléments finis. Une étude bibliographique présentant en particulier les mécanismes de plasticité associés au phénomène de pop-in est tout d'abord proposée. Des expériences menées sur des échantillons présentant une très faible concentration de défauts sont ensuite présentées. Les résultats expérimentaux montrent que contrairement à l'idée communément admise, la déformation précédant le pop-in n'est pas nécessairement purement élastique. Par la suite, l'introduction contrôlée de défauts (défauts ponctuels, dislocations) dans le matériau a permis d'étudier leur influence sur les mécanismes initiaux de plasticité. Enfin, les simulations numériques ont permis d'accéder au comportement des dislocations individuelles dans le champ de contraintes complexe généré par l'indenteur tout au long d'un cycle d'indentation. Ces résultats apportent un éclairage sur les comportements observés expérimentalement.

Cette thèse traite d'expériences et de simulations de nanoindentation dans des monocristaux de cuivre. Les expériences d'indentation sont exécutées avec différentes orientations de l'axe d'indentation. La courbe de déplacement de charge et l'empreinte superficielle observée par la microscopie à force atomique sont analysées et comparées. L'effet de taille est observé pour de faible pénétration de l'indenter. Les simulations sont alors exécutées par modélisation de type éléments finis de la plasticité. Des sous-programmes utilisateurs d'ABAQUS sont développés pour représenter la physique de l'activité des dislocations dans les douze systèmes de glissement des cristaux de cuivre. Des simulations 3D sont alors exécutées et les comparaisons avec les expériences permettent de déterminer les paramètres clés des équations constitutives. L'effet de taille est reproduit en utilisant une théorie d'effet de taille simplifiée implantée dans le modèle en éléments finis. Finalement, une approche multiéchelle basée sur la dynamique discrète des dislocations est utilisée pour reproduire les indentations (111) des monocristaux de cuivre. Les simulations de dynamique moléculaire permettent de détailler la nucléation des dislocations sous l'indenteur. Les simulations de dynamique moléculaire sont alors effectuées et les effets de tailles de l'indenteur sont analysés.

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.

Cette étude s’insère dans le cadre d’une modélisation multi-échelles du durcissement et de la fragilisation par irradiation de l’acier de cuve des Réacteurs nucléaires à Eau Pressurisée (REP). Des simulations en Dynamique des Dislocations (DD) ont été menées pour décrire la plasticité du fer pur irradié à l’échelle du grain et fournir aux échelles supérieures des informations quantitatives telles que la force d’épinglage des dislocations par les boucles induites par l’irradiation. Nous avons débuté notre étude par l’analyse des interactions élémentaires entre une dislocation coin et différents types de boucles. Un nouveau modèle de DD a été identifié puis validé, que ce soit d’un point de vue qualitatif (mécanismes d’interaction) ou quantitatif (contrainte critique), en comparant ces résultats à ceux obtenus en Dynamique Moléculaire dans la littérature. L’influence de la taille des boucles et de la vitesse de déformation a été particulièrement étudiée.Des simulations élémentaires impliquant cette fois-ci une dislocation vis et les mêmes défauts d’irradiation ont permis d’étendre le domaine de validité du modèle de DD, en se comparant toujours aux résultats de DM de la littérature. Enfin, un premier jeu de simulations massives entre une dislocation coin et différents types de boucles a permis d’obtenir une première estimation de la valeur de la force d’obstacle pour ce type de défauts, α≈0,26. Cette valeur est en accord avec différents travaux précédents, expérimentaux ou numériques, et permet d’envisager avec confiance de futurs travaux s’appuyant sur ce nouveau modèle de DD. / This study is a contribution to the multi-scale modeling of hardening and embrittlement of the vessel steel in Pressurized Water Reactors (PWR) under irradiation conditions. Dislocation Dynamics simulations (DD) were conducted to describe the plasticity of irradiated iron at grain scale. Quantitative information about the pinning strength of radiation-induced loops was extracted and can be transferred at crystal plasticity scale. Elementary interactions between an edge dislocation and different types of loops were first analyzed. A new model of DD was identified and validated, both qualitatively in terms of interaction mechanisms and quantitatively in terms of critical stress, using Molecular Dynamics results available in the literature. The influence of the size of the loops and of the strain rate was particularly studied. Elementary simulations involving a screw dislocation and the same radiation-induced defects were conducted and carefully compared to available MD results, extending the range of validity of our model. Finally, a set of massive simulations involving an edge dislocation and a large number of loops was performed and allowed a first estimation of the obstacle strength for this type of defects (α≈0.26). This value is in a good agreement with previous experimental and numerical studies, and gives us confidence in future work based on this new DD model.

Ce travail part du constat d’une part qu'il existe très peu de données expérimentales dans la littérature sur les monocristaux de zirconium et d’autre part qu’aucune loi de comportement monocristalline pour ce matériau n’est déterminée. L'objectif est donc de disposer d'une base de données expérimentale conséquente comme les cissions critiques pour le système prismatique, l'écrouissage, l'activation des systèmes de glissement et les volumes d'activation. Après avoir obtenu ces différents paramètres en utilisant la méthode de corrélation d'images, une approche multiéchelle a été mise en œuvre en s’appuyant d’une part sur la dynamique des dislocations et d’autre part sur des calculs par éléments finis. Une première loi de comportement monocristalline pour le zirconium est proposée et des simulations par éléments finis ont validé cette approche innovante. / There is only few experimental data in the literature on the zirconium single crystals and no constitutive laws for this single crystal material are provided. The goal of this work is then to create an exhaustive experimental database like the Critical Resolved Shear Stress (CRSS) for the prismatic slip, the strain-hardening, the activation of the prismatic glide system and the activation volumes. We determine theses parameters from image correlation method. Then, we develop a new multiscale approach using dislocations dynamics concept and finite element computations. Finally, a first single crystal constitutive law for the zirconium is proposed and a good agreement with the experimental data is obtained.

Les études récentes de la déformation plastique à l'aide de techniques expérimentales à haute résolution témoignent que les processus de déformation sont souvent caractérisés par des effets collectifs qui émergent à une échelle mésoscopique, intermédiaire entre celle de défauts cristallins et celle d'une éprouvette macroscopique. Notamment, la méthode de l'émission acoustique (EA) révèle, dans divers conditions expérimentales, l'intermittence de la déformation plastique, qui se manifeste par une propriété de l'invariance d'échelle, caractéristique de phénomènes d'auto-organisation. L'objectif de la thèse a été d'étudier la structure inhérente de l'EA pour différents mécanismes de déformation plastique, d'examiner sa dépendance à la vitesse de déformation et à l'écrouissage du matériau, et d'appréhender les liens entre les petites échelles de temps, liées à l'organisation des défauts, et celles qui relèvent de l'approche continue de la plasticité. L'étude a été réalisée sur des alliages AlMg et des alliages base Mg, dont la déformation plastique est accompagnée d'une forte activité acoustique et contrôlée par différents mécanismes physiques : l'effet Portevin-Le Chatelier (PLC) dans les premiers et une combinaison du maclage et du glissement des dislocations dans les deuxièmes. L'utilisation de la technique d'enregistrement continue de l'EA ("data streaming") a permis de montrer que le comportement apparent - discrète ou continue - de l'EA accompagnant l'effet PLC dépend de l'échelle de temps d'observation et du paramètre physique étudié. Cependant, contrairement à une vision traditionnelle, il se trouve que l'EA a un caractère intermittent pendant l'écoulement macroscopiquement lisse tant que pendant l'instabilité macroscopique de la déformation plastique. Grace aux méthodes d'analyse issues de la théorie des systèmes dynamiques non linéaires, telles que l'analyse multifractale, une tendance à la transition entre la dynamique invariante d'échelle et les comportements caractérisés par des échelles intrinsèques a été trouvée lors de l'écrouissage des matériaux. Enfin, nous avons prouvé que les distributions statistiques en loi puissance persistent dans des larges intervalles de variation des paramètres, conventionnellement utilisés pour individualiser les événements acoustiques. Ce résultat est d'une importance générale car il s'applique à tous les processus avalancheux émergeant dans différents systèmes dynamiques / Recent studies of plastic deformation using high-resolution experimental techniques testify that deformation processes are often characterized by collective effects that emerge on a mesoscopic scale, intermediate between the scale of individual crystal defects and that of the macroscopic sample. In particular, the acoustic emission (AE) method reveals intermittency of plastic deformation in various experimental conditions, which is manifested by the property of scale invariance, a characteristic feature of self-organized phenomena. The objective of the dissertation was to study the inherent structure of AE for different mechanisms of plastic deformation, to examine its dependence on the strain rate and strain hardening of the material, and to understand the relationships between short time scales related to organization of defects and those relevant to the continuous approach of plasticity. The study was performed on AlMg and Mg-based alloys, the plastic deformation of which is accompanied by a strong acoustic activity and controlled by different physical mechanisms: the Portevin-Le Chatelier (PLC) effect in the first case and a combination of twinning and dislocation glide in the second case. Application of a technique of continuous AE recording ("data streaming") allowed proving that the apparent behavior, discrete or continuous, of AE accompanying the PLC effect depends on the time scale of observation and the physical parameters surveyed. However, unlike the traditional view, it appears that AE has an intermittent character during both stress serrations and macroscopically smooth flow. Using methods of the theory of nonlinear dynamical systems, such as the multifractal analysis, a tendency to a transition between the scale-invariant dynamics and the behaviors characterized by intrinsic scales was detected during work hardening. Finally, we proved that the power-law statistical distributions persist in wide ranges of variation of parameters conventionally used to individualize acoustic events. This result is of general importance because it applies to all avalanche-like processes emerging in dynamical systems

Ce travail porte sur la résolution de problèmes faisant intervenir des mouvements d'interfaces. Dans les différentes parties de cette thèse, on cherche à déterminer ces mouvements d'interfaces en résolvant des modèles approchés consistant en des équations ou des systèmes d'équations sur des champs. Les problèmes obtenus sont des équations paraboliques et des systèmes hyperboliques. Dans la première partie (chapitre 2), on étudie un modèle simplifié pour la propagation d'une onde de souffle en dynamique des fluides compressibles. Ce modèle peut s'écrire sous la forme d'un système hyperbolique, et on construit un algorithme résolvant numériquement ce système par une méthode de type Fast-Marching. On mène également une étude théorique de ce système pour déterminer des solutions de référence et tester la validité de l'algorithme. Dans la deuxième partie (chapitres 3 à 5), les équations approchées sont de type parabolique, et on cherche à montrer l'existence de solutions de type régime permanent à ces équations. Dans les chapitres 3 et 4, on étudie une équation générique en une dimension associée à des phénomènes de réaction-diffusion. Dans le chapitre 3, on montre l'existence de solutions quasi-planes pour un terme de réaction (terme non-linéaire) assez général, et dans le chapitre 4 on utilise ces résultats pour montrer l'existence d'ondes pulsatoires progressives dans le cas spécifique d'une non-linéarité bistable. Le modèle étudié dans le chapitre 5 est un modèle de champ de phase approchant un modèle de dynamique des dislocations dans un cristal, dans un domaine correspondant physiquement à une source de Frank-Read / This work is about the resolution of problems associated with the motion of interfaces. In each part of this thesis, the goal is to determine the motion of interfaces by the use of approached models consisting of equations or systems of equation on fields. The problems we get are parabolic equations and hyperbolic systems. In the first part (Chapter 2), we study a simplified model for the propagation of a shock wave in compressible fluid dynamics. This model can be written as a hyperbolic system, and we construct an algorithm to solve it numerically by a Fast-Marching like method. We also conduct a theoretical study of this system to determine reference solutions and test the algorithm. In the second part (Chapters 3 to 5), the approached models yield parabolic equations, and our goal is to show the existence of permanent regime solutions for these equations. Chapter 3 and 4 are dedicated to the study of a generic one-dimensional equation modelling reaction-diffusion phenomena. In Chapter 3, we show the existence of plane-like solutions for a general reaction term, and in Chapter 4 we use this result to show the existence of pulsating travelling waves in the specific case of a bistable nonlinearity. In Chapter 5, we study a phase-field model approaching a model for the dynamics of dislocations in a crystal, in a domain corresponding to a Frank-Read source

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.

Les techniques avancées pour l’approximation de rang faible des matrices sont des outils de réduction de dimension fondamentaux pour un grand nombre de domaines du calcul scientifique. Les approches hiérarchiques comme les matrices H2, en particulier la méthode multipôle rapide (FMM), bénéficient de la structure de rang faible par bloc de certaines matrices pour réduire le coût de calcul de problèmes d’interactions à n-corps en O(n) opérations au lieu de O(n2). Afin de mieux traiter des noyaux d’interaction complexes de plusieurs natures, des formulations FMM dites ”kernel-independent” ont récemment vu le jour, telles que les FMM basées sur l’interpolation polynomiale. Cependant elles deviennent très coûteuses pour les noyaux tensoriels à fortes dimensions, c’est pourquoi nous avons développé une nouvelle formulation FMM efficace basée sur l’interpolation polynomiale, appelée Uniform FMM. Cette méthode a été implémentée dans la bibliothèque parallèle ScalFMM et repose sur une grille d’interpolation régulière et la transformée de Fourier rapide (FFT). Ses performances et sa précision ont été comparées à celles de la FMM par interpolation de Chebyshev. Des simulations numériques sur des cas tests artificiels ont montré que la perte de précision induite par le schéma d’interpolation était largement compensées par le gain de performance apporté par la FFT. Dans un premier temps, nous avons étendu les FMM basées sur grille de Chebyshev et sur grille régulière au calcul des champs élastiques isotropes mis en jeu dans des simulations de Dynamique des Dislocations (DD). Dans un second temps, nous avons utilisé notre nouvelle FMM pour accélérer une factorisation SVD de rang r par projection aléatoire et ainsi permettre de générer efficacement des champs Gaussiens aléatoires sur de grandes grilles hétérogènes. Pour finir, nous avons développé un algorithme de réduction de dimension basé sur la projection aléatoire dense afin d’étudier de nouvelles façons de caractériser la biodiversité, à savoir d’un point de vue géométrique. / Advanced techniques for the low-rank approximation of matrices are crucial dimension reduction tools in many domains of modern scientific computing. Hierarchical approaches like H2-matrices, in particular the Fast Multipole Method (FMM), benefit from the block low-rank structure of certain matrices to reduce the cost of computing n-body problems to O(n) operations instead of O(n2). In order to better deal with kernels of various kinds, kernel independent FMM formulations have recently arisen such as polynomial interpolation based FMM. However, they are hardly tractable to high dimensional tensorial kernels, therefore we designed a new highly efficient interpolation based FMM, called the Uniform FMM, and implemented it in the parallel library ScalFMM. The method relies on an equispaced interpolation grid and the Fast Fourier Transform (FFT). Performance and accuracy were compared with the Chebyshev interpolation based FMM. Numerical experiments on artificial benchmarks showed that the loss of accuracy induced by the interpolation scheme was largely compensated by the FFT optimization. First of all, we extended both interpolation based FMM to the computation of the isotropic elastic fields involved in Dislocation Dynamics (DD) simulations. Second of all, we used our new FMM algorithm to accelerate a rank-r Randomized SVD and thus efficiently generate multivariate Gaussian random variables on large heterogeneous grids in O(n) operations. Finally, we designed a new efficient dimensionality reduction algorithm based on dense random projection in order to investigate new ways of characterizing the biodiversity, namely from a geometric point of view.

Le mode de propagation complexe des fissures courtes observé dans les métaux ductiles sous chargement cyclique est généralement attribué à différents mécanismes de stabilisation intervenant à l’échelle de la microstructure, l’échelle mésoscopique. Parmi ces mécanismes, l’interaction de la fissure avec la microstructure de dislocation semble jouer un rôle majeur. La dynamique des dislocations contrôle la déformation plastique et le transfert de chaleur qui lui est associé et réduit ainsi la quantité d’énergie élastique stockée dans le matériau. De plus, la microstructure de dislocations peut « écranter » le champ élastique induit par la fissure par son propre champ de contraintes et modifier la géométrie de la fissure par l’émoussement des surfaces en pointe. Pour la première fois, ces mécanismes sont étudiés avec des simulations 3D de Dynamique des Dislocation avec le modèle Discrete-Continu. Trois orientations de fissure sont testées sous un chargement monotone en traction, promouvant une ouverture en fond de fissure en mode I. De manière surprenante, les simulations montrent que les effets d’écrantage et d’émoussement n’ont pas un rôle clé dans la stabilisation des fissures testées en mode I. Le mécanisme principal se trouve être la capacité du matériau à se déformer plastiquement sans mettre en oeuvre un durcissement important par le mécanisme de la forêt. Des recherches supplémentaires sur deux effets de taille confirment ces résultats et montrent également la contribution mineure d’une densité de dislocations polarisées et du durcissement cinématique associé à la stabilisation des fissures. / The erratic behaviour of short cracks propagation under low cyclic loading in ductile metals is commonly attributed to a complex interplay between stabilisation mechanisms that occur at the mescopic scale. Among these mechanisms, the interaction with the existing dislocation microstructure play a major role. The dislocation microstructure is source of plastic deformation and heat transfer that reduce the specimen stored elastic energy, screen the crack field due to its self generated stress field or change the crack geometry through blunting mechanisms. For the first time, these mechanisms are investigated with 3D-DD simulations using the Discrete- Continuous Model, modelling three different crack orientations under monotonic traction loading promoting mode I crack opening.Surprisingly, screening and blunting effects do not seem to have a key role on mode I crack stabilisation. Rather, the capability of the specimen to deform plastically without strong forest hardening is found to be the leading mechanism. Additional investigations of two different size effects confirm those results and show the minor contribution of a polarised dislocations density and the associated kinematic hardening on crack stabilisation.