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.

Les instabilités plastiques désignent une famille de comportements non-linéaires que l’on rencontre dans plusieurs matériaux solides. Elles correspondent à une évolution hétérogène de la déformation sous un chargement homogène, et se manifestent par un écrouissage irrégulier accompagné de bandes de localisation d’épaisseur millimétrique dont la cinétique est sensible, entre autres, à la température et à la vitesse de chargement. Ce phénomène freine considérablement l’usage des tôles d’aluminium-magnésium dans l’industrie. En effet, il a des conséquences esthétiques et mécaniques néfastes dont il est difficile de prédire l'évolution à l'étape de conception. Des modèles de comportement dédiés peuvent reproduire les bandes de localisation mais peinent à estimer précisément leur cinématique. De plus, ils sont sujets à des complications comme la sensibilité à la discrétisation, un coût de calcul considérable ou encore l’identification expérimentale délicate de leurs paramètres. L’objectif de ces travaux est donc de proposer un cadre dans lequel la cinématique des bandes de localisation est prédite de façon fidèle. Dans un premier temps, l’alliage d’étude est caractérisé par des essais de traction où la cinétique de bandes individuelles est traquée à l'aide de la corrélation d'images numériques. Les quantités d'intérêt sont identifiées à l'échelle non-locale des bandes de déformation : leur géométrie, leur distribution spatio-temporelle, la déformation qu'elles portent et l'énergie qu'elles échangent. S'appuyant sur ces résultats expérimentaux, un modèle de comportement est formulé à l'échelle des bandes de localisation. Il encapsule toutes les conséquences macroscopiques des instabilités plastiques et s’émancipe donc des complications évoquées plus tôt. Finalement, une stratégie numérique est proposée pour la simulation unidimensionnelle des essais, avec pour objectif de démontrer la faisabilité de l'approche. Ce travail constitue une première contribution à la simulation des bandes de localisation au travers d'une modélisation directe de leur cinétique. Les perspectives suggérées portent en particulier sur trois aspects. D'abord, la caractérisation de la cinétique des bandes de déformation à l'échelle inférieure à la nucléation. Aussi, le déploiement en 2D et l'amélioration du modèle proposé pour le traitement robuste de cas industriels. Enfin, l'utilisation du cadre développé pour la prise en charge d'autres physiques non-locales. / Plastic instabilities refer to a wide family of material nonlinearities met in several solid materials. They correspond to a heterogeneous strain response under homogeneous loading conditions, and manifest as an erratic workhardening accompanied by strain localization bands that kinetics are sensitive to temperature and loading rate, among other material properties. This phenomenon hinders the industrial use of aluminium-magnesium alloys. It involves harmful mechanical and aesthetic consequences that can hardly be predicted at the design step. Constitutive models can recreate localization bands but they fail to accurately predict their kinematics. Moreover, they are subjected to several issues such as mesh sensitivity, a high computational cost or a complex parameters identification. The purpose of this work is to build a framework in which bands kinematics can be reliably predicted. First, the studied alloy is characterized by means of tensile tests in which the kinetics of individual bands are tracked using digital image correlation. Quantities of interest are then identified at the non-local scale of bands: their morphology, spatiotemporal distribution, the strain they carry and the energy they exchange. Based on these experimental results, a constitutive model is derived at the scale of localization bands. It embeds all the aforementioned macroscopic consequences of plastic instabilities. A numerical strategy is then proposed to tackle unidimensional simulations, with the purpose of justifying the feasibility of the approach. This work constitutes a first contribution to the simulation of localization bands through a direct modeling of their kinetics. The considered outlooks focus on three main aspects. First, the experimental characterization of instabilities beneath the bands scale. Also, the twodimensional deployment and the improvement of the model to fit concrete and industrial applications. Lastly, the use of the proposed framework for a greater variety of non-local behaviors.

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.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23156号 / 工博第4800号 / 新制||工||1750(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 辻 伸泰, 教授 奥田 浩司, 教授 安田 秀幸 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

L'élaboration de nouveaux alliages maintient un fort intérêt pour le phénomène d’instabilité plastique, ou l'effet Portevin-Le Chatelier (PLC), provoqué par l'interaction des dislocations avec des atomes de soluté. Par ailleurs, l'effet PLC attire l'intérêt comme un exemple remarquable d'auto-organisation dans les systèmes dynamiques. Il est associé à des motifs complexes de séries de chutes de contrainte liées à la nucléation et au mouvement des bandes de déformation dans le matériau déformé, et nécessite une compréhension de l'auto-organisation des dislocations. La déformation plastique des alliages Al-Mg est sujette à l'instabilité dans une large gamme de conditions expérimentales. Pour cette raison, les alliages Al-Mg binaires ont longtemps servi d'objets modèles pour l'étude de l'effet PLC. En même temps, l'utilisation pratique des alliages binaires Al-Mg est limitée en raison d’une faible résistance mécanique. Une amélioration significative de leurs propriétés peut être atteinte en ajoutant des solutés supplémentaires, conduisant en particulier à la formation de précipités. En outre, une forte réduction de la taille de grains du polycristal pourrait être une technique clé pour produire des matériaux à haute résistance et ténacité. Cependant, il existe très peu d'information, souvent contradictoire, sur l'instabilité PLC dans les alliages Al-Mg à grains fins et contenant des précipités. Le but de l'étude de cette thèse a été d'étudier les caractéristiques spécifiques de l'effet PLC dans les alliages à base AlMg, avec et sans nanoparticules, à gros grains et à grains fins, ces derniers obtenus par une méthode de déformation plastique sévère. Grâce à l’application de méthodes d’extensométrie locale, notamment de la technique de corrélation d’images, ces études ont révélé une persistance non habituelle de la propagation des bandes de déformation dans les alliages comprenant des précipités et/ou des grains fins. Ce mode dynamique est observé dans un large intervalle de vitesses de déformation, tandis qu’il n’apparait qu’à haute vitesse dans des alliages modèles AlMg. Par ailleurs, l’analyse des distributions statistiques des amplitudes des chutes de contrainte a révélé une tendance vers une statistique en loi puissance, caractéristique du mode de propagation. Ce phénomène est attribué à une modification du couplage spatial entre les dislocations, due à la concentration de contraintes internes. La combinaison de ces études avec l’analyse de l’émission acoustique a mis en évidence une influence de la microstructure sur la compétition entre un facteur aléatoire et la synchronisation des dislocations. Enfin, l’étude par corrélation d’images a permis d’observer une interrelation entre l’instabilité PLC et la formation de la striction. / The elaboration of new alloys sustains a strong interest to the phenomenon of unstable plastic flow, or the Portevin–Le Chatelier (PLC) effect, caused by interaction of dislocations with solute atoms. Moreover, this effect attracts interest as a rich example of self-organization in dynamical systems. It is associated with complex patterns of stress serrations related to nucleation and motion of deformation bands in the deforming material, and requires understanding of self-organization of dislocations. Plastic deformation of Al-Mg alloys is prone to instability in a wide range of experimental conditions. For this reason, binary Al-Mg alloys served for a long time as model objects for investigation of the PLC effect. At the same time, the practical use of binary Al-Mg alloys is limited because of their low strength. A significant improvement of their properties can be achieved by additional alloying, in particular, leading to precipitation. Further, extensive grain refinement could be a key technique used to produce tough and high- strength materials. However, there exists very limited and often contradictory information on the PLC instability in fine-grained Al-Mg alloys containing precipitates. The objective of the present thesis was to investigate specific features of the PLC effect in AlMg-based alloys with and without nanoscale particles, both in coarse-grained and fine-grained states, the latter obtained by severe plastic deformation. Using local extensometry methods, particularly the image correlation technique, these studies revealed an unusual persistence of the propagation of deformation bands in alloys with precipitates and/or fine grains. This dynamic mode is observed in a wide range of strain rates, whereas it only appears at high strain rate in model Al-Mg alloys. Moreover, the analysis of statistical distributions of stress drop amplitudes revealed a tendency to power law statistics characteristic of the propagation mode. This phenomenon was attributed to a modification of the spatial coupling between dislocations due to the concentration of internal stresses. The combination of these studies with the acoustic emission analysis uncovered an influence of the microstructure on the competition between a random factor and the dislocation synchronization. Finally, the study by the image correlation made it possible to observe an interrelation between the PLC instability and the neck formation.