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Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Edition 2013


DREAM


Recristallisation Dynamique dans les Matériaux Anistropes

Recristallisation dynamique dans les matériaux anisotropes
Vers une meilleure compréhension des mécanismes fondamentaux de la recristallisation dynamique (germination et migration des joints de grains) et leur prise en compte dans des modélisations à complexité et échelle complémentaires, capable de prendre en compte et de prédire les champs de dislocations et leur dynamique.

Quel rôle des hétérogénéités de déformation et de contraintes sur les mécanismes de recristallisation dynamique? Observations expérimentales et outils novateurs de modélisation
La recristallisation dynamique peut modifier drastiquement les microstructures et les textures dans les métaux, lors des procédés de mise en forme par exemple, dans les minéraux déformés à chaud dans le manteau terrestre, ou encore lors de l'écoulement de la glace dans les calottes polaires et les glaciers.
Ce processus permet de réduire l'énergie de déformation stockée, par la migration des joints de grains et par la germination de nouveaux grains. Cependant, le rôle des contraintes internes et des structures de dislocations sur ces processus est encore mal compris et mal contraints dans les approches de modélisation.
Le projet DREAM se focalisera sur des matériaux fortement anisotropes tels que la glace ou le magnésium, pour caractériser expérimentalement les champs de dislocations et les structures de déformation locales, responsables de la recristallisation. Un outil de modélisation des champs de dislocations, Field Dislocation Mechanics, qui prend en compte les conditions de compatibilité aux interfaces sera développé et nourri des résultats expérimentaux. Il sera ensuite associé à un modèle de plasticité cristalline aux éléments finis pour intégrer les critères de germination et de
croissance des grains dans une représentation macroscopique de la recristallisation.

Observation des microstructures de dislocations et leur modélisation à différentes échelles de taille et de complexité
Ce projet se base sur des techniques expérimentales «robustes« qui permettent de caractériser les hétérogénéités locales dans les matériaux anisotropes «modèles« étudiés, et s'appuiera sur deux approches de modélisation complémentaires en raison des échelles abordées et de leur niveau de complexité.
- La glace et le Mg (et/ou le Zinc) sont des matériaux qui présentent une cinétique des mécanismes de recristallisation adaptée à leur suivi, dans des conditions expérimentales «classiques« de laboratoire. La germination n'y est pas trop rapide, comme dans beaucoup de métaux, mais plus rapide que dans les roches, ce qui permet l'observation.
De plus, en raison de leur forte anisotropie viscoplastique, l'effet des hétérogénéités de déformation et de contrainte est renforcé, à l'échelle inter et intra-cristalline.
L'Electron BackScattering Diffraction (EBSD) et la corrélation d'images numériques (DIC) seront les principaux outils expérimentaux.
- Afin de prendre en compte et de représenter ces hétérogénéités et leur rôle sur la germination et la migration des joints de grains, nous développerons un modèle novateur basé sur la théorie des champs de dislocations (FDM). Ce modèle prend en compte la plasticité associée au transport des dislocations, aux incompatibilités de réseau et aux contraintes internes, ainsi que les conditions d'incompatibilité élastique et plastique aux joints de grains.
- Une comparaison sera effectuée avec une approche «3D FE-Level Set«, qui associe la modélisation de la plasticité cristalline par éléments finis (CPFEM) à l'évolution microstructurale par Level-Set. Nous y introduirons la notion d'incompatibilité aux joints de grains, et nous utiliserons les résultats validés de l'approche FDM pour initier les conditions de germination.
L'objectif sera de produire un modèle d'échelle intermédiaire, qui associera les avantages d'une approche mesoscopic (CPFEM - level set), à l'approche petite échelle (multi-cristaux) permise par la FDM.

Résultats

Les principaux résultats obtenus mi 2016 sont les suivants :
- Une caractérisation à relativement haute résolution (pour le matériau considéré, i.e. la glace) de l'interaction entre champs de déformation et mécanismes de germination au cours de la recristallisation dynamique
- Une caractérisation fine et détaillée par EBSD des mécanismes de germination dans la glace
- Le suivi par EBSD de l'évolution des microstructures au cours d'essai de recuit sur de la glace initialement déformée
- Le développement pour l'outil collaboratif MTEX de méthodes de caractérisation des joints de grains et de leur orientation
- Des résultats préliminaires sur la caractérisation des champs de déformations dans le Zinc (en remplacement du Mg)
- Le développement d'une méthode de modélisation ds champs de dislocations qui prennent en compte des évolutions différentes sur les systèmes de glissement, son intégration dans un code EF, et sa validation en comparaison de résultats expérimentaux sur des mono et poly-cristaux de glace.

Perspectives

Au cours de cette dernière année et demi, nous viserons trois objectifs principaux :
- Finaliser le développement de la platine de déformation à haute température afin de réaliser des tests in-situ sur le Zinc (à la place du Mg) dans le microscope CrystalProbe de Géosciences Montpellier. Cela nous donnera accès au suivi de la mise en place des champs de dislocations, et de leur évolution, au cours de la recristallisation dynamique.
- Effectuer des simulations à plus grande échelle (polycristal) dans la glace et le Zinc, à l'aide de l'outil CPFEM du Cemef, et rechercher la procédure optimale permettant de prendre en compte les prédictions du modèle à champs de dislocations (FDM) pour représenter la germination. Nous irons vers un couplage progressif de ces deux approches.
- Etendre les observations effectuées sur la glace au domaine de la transition ductile/fragile, afin d'estimer les interactions entre fracturation et recristallisation dynamique à haute température

Productions scientifiques et brevets

- T. Chauve, M. Montagnat and P. Vacher. Strain field evolution
during dynamic recrystallization nucleation; a case study on ice.
Acta Materialia, 2015, 101, 116-124 .
- M. Montagnat, T. Chauve, F. Barou, A. Tommasi, B. Beausir and C. Fressengeas, New insights into dynamic recrystallization of ice from EBSD
orientation mappings, Frontiers in Earth Sciences, 3:81 .
- T. Chauve, M. Montagnat, F. Barou, K. Hidas, A. Tommasi, D.
Mainprice. Investigation of nucleation processes during dynamic
recrystallization of ice using cryo-EBSD. 2016. In Press
- K. Hidas, A. Tommasi, D. Mainprice, T. Chauve, F. Barou and M.
Montagnat. Microstructural evolution 1 during thermal annealing
of ice-Ih, 2016. Submitted
- T. Richeton, L.T. Le, T. Chauve, M. Bernacki, S. Berbenni and M.
Montagnat. Modelling the transport of geometrically necessary
dislocations on slip systems: application to single- and multicrystals
of ice, 2016. Submitted

Partenaires

ARMINES CEMEF ARMINES Centre de Mise en Forme des Materiaux de Mines Paris Tech

LEM3 Laboratoire d'Etude des Microstructure et de Mécanique des Matériaux

LGGE Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement

GM Laboratoire Géosciences Montpellier

Aide de l'ANR 413 911 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

La recristallisation dynamique (DRX) a une forte influence sur l'évolution des microstructures (taille et forme des grains) et des textures (orientations cristallines) dans les matériaux déformés à chaud. Le développement des textures conduisant à des propriétés anisotropes, il est indispensable de prévoir ses effets sur les métaux pour des applications industrielles, sur les roches, lorsque l'on s'intéresse à la déformation du manteau terrestre, ou encore sur la glace afin de modéliser la dynamique des calottes polaires. Les mécanismes de recristallisation, germination et croissance de grains, sont associés à la réduction de l'énergie stockée. Cette énergie est liée à l'hétérogénéité de la distribution de dislocations géométriquement nécessaires (GNDs). Elle est associée au champ de contraintes internes et dépend fortement des interactions inter-granulaires. Si de nombreux efforts sont entrepris pour caractériser les mécanismes associés à la DRX, les liens entre hétérogénéités de déformation, arrangement des dislocations et germination restent mal connus. La question fondamentale du rôle des contraintes internes et des structures de dislocations sur la germination, puis sur le développement des textures, sera au centre du projet DREAM.
DREAM utilisera deux matériaux « modèles » anisotropes, la glace et le magnésium, pour caractériser et modéliser les mécanismes de DRX. Les compétences associées dans ce projet donne accès à un large éventail d'outils expérimentaux pour caractériser les structures de dislocations et corrélations à longue distance : la corrélation d'images numériques pour les champs de déformation, la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) pour les désorientations de réseau, l'émission acoustique pour la dynamique de la germination et la diffraction des neutrons pour localiser la germination en 3D (ILL). Grâce à la configuration unique du MEB « CrystalProbe » de Géosciences Montpellier et sa colonne inclinée, des analyses « in-situ » pourront être réalisées au cours de recuits et durant la déformation.
Les caractérisations expérimentales valideront deux modèles développés dans ce projet, l’un basé sur la théorie des champs de dislocations (FDM), l’autre sur un couplage entre plasticité cristalline (Crystal Plasticity Finite Element Model) et un modèle « level set ». La FDM est une approche continue de l'élasto-plasticité qui rend compte des contraintes internes dues à la présence de GNDs et de la plasticité par transport des dislocations. Elle est bien adaptée à la modélisation de la DRX, mais se limite pour l'instant à des polycristaux de quelques grains. Elle fournira des cartes de GNDs, de champ de contraintes internes et de déformations élastiques permettant, par comparaison avec les champs expérimentaux, d'établir des critères de germination. Elle rend compte des conditions de compatibilité des champs de distorsion plastique aux interfaces (grains, sous-joints de grains) qui sont indispensables pour représenter par exemple les empilements de dislocations. De telles conditions n’apparaissent pas dans les approches CPFEM classiques, ou dans les modèles à champs de phase. Dans un deuxième modèle, l’approche CPFEM - level set sera augmentée par les conditions de compatibilité issues de la FDM pour modéliser la DRX dans des polycristaux plus représentatifs. La force motrice responsable du mouvement des joints de grains dans l'approche level set sera issue des prédictions FDM. En comparant les entrées et sorties des deux modèles, nous estimerons le degré de complexité nécessaire à l’établissement d’un modèle prédictif de DRX. La validation de ce modèle sera basée sur les comparaisons avec les observations expérimentales. De véritables avancées sont attendues tant au niveau expérimental que modélisation car l’ensemble des méthodes expérimentales et des modèles développés sont focalisés sur les mécanismes athermiques fondamentaux de germination et de migration des joints de grains lors de la DRX.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9) 2013

Référence projet : ANR-13-BS09-0001

Coordinateur du projet :
Madame Maurine MONTAGNAT RENTIER (Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement)
maurine.montagnat@nulluniv-grenoble-alpes.fr

Site internet du projet : http://lgge.osug.fr/article756.html

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.