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Effets polycristallins sur l'interaction entre déformation et endommagement : mesure 4D et calculs EF de microstructures

Effets polycristallins sur l'interaction entre déformation et endommagement : mesure 4D et calculs EF de microstructures

Polycrystalline effects on the interaction between deformation and damage: 4D measurement and EF calculations of microstructures

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

PROUDHON Henry

Co-encadrant

MORGENEYER Thilo

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactHenry PROUDHON
Date de validité

01/10/2020

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

EBSD,, mesure de champs, hétérogénéité et localisation de la déformation, déformation à rupture, triaxialité, plasticité cristalline

field measurement, hheterogeneity and localization

Résumé

La thèse se propose d'étudier les effets polycristallins sur l'hétérogénéité de la déformation précoce en tant que précurseur de la localisation et de la ruine finale. Pour les tôles métalliques, cela mène à une formabilité imprévisible. Des essais in situ couplés à des mesures EBSD seront conduits au MEB, en microscopie optique et tomo/laminographie X avec mesure de champs multiéchelles et seront interprétés par calculs EF polycristallins.

The thesis aims to study the polycrystalline effects on the heterogeneity of early deformation as a precursor of localization and final ruin. For metal sheets, this leads to unpredictable formability. In situ tests coupled with EBSD measurements will be conducted at the SEM, in optical microscopy and X-ray tomography / laminography with multiscale field measurements and will be interpreted by polycrystalline EF calculations.

Contexte

La rupture à basse triaxialité des contraintes, rencontrée lors du formage de tôles, présente des relations complexes entre déformation à rupture, taux de triaxialité des contraintes et paramètre de Lode. La prévision de la formabilité des tôles et l'amélioration des matériaux vis-à-vis de cette formabilité est un vecteur cléf pour l'industrie. Malgré cela, les phénomènes physiques sous-jacents à ces relations complexes entre triaxialité des contraintes et la déformation à rupture restent méconnus à ce jour.
Dans le domaine de la rupture ductile, des modèles d'endommagement ont été établis mais ils sont surtout valables pour des taux de triaxialité élevés et n'arrivent pas à prédire la rupture à basse triaxialité (tôles minces) [Rice et Tracey 1976]. L'endommagement a été identifié comme un paramètre de premier ordre et les effets de la microstructure polycristalline n'ont de ce fait jamais été pris en compte directement. Cependant à basse triaxialité, la rupture est précédée par une grande déformation sans développement significatif d'endommagement. Ainsi, les effets polycristallins sur l'hétérogénéité de la déformation et la rupture finale pourraient être de premier ordre. En effet, l'hétérogénéité de la déformation peut être précurseur de la localisation de la déformation, de l'endommagement et de la rupture finale [Morgeneyer et al. 2014]. Des effets de texture locale sont également rencontrés sur des matériaux de l'ingénieur qui peuvent favoriser des hétérogénéités de la déformation à longue portée [Echlin et al. 2016]. Celles-ci ne sont pas reproductibles avec des modèles MMC simples et une plasticité de von Mises.
La corrélation d'images numériques s'est développée depuis de nombreuses années en utilisant la microscopie optique et électronique à balayage [Hoc 2003]. Les récents progrès de la corrélation d'image à haute résolution (µ-DIC) permettent d'étudier la localisation de la déformation au sein des grains en mesurant les bandes de glissement individuelles [Stinville 2016, Chen 2018]. L'automatisation des routines d'acquisition et de traitement permet d'envisager d'appliquer ces techniques sur de larges zones en conservant la résolution intragranulaire nécessaire pour capturer les phénomènes physiques.
Parallèlement, le calcul de microstructure s'est développé avec des lois de plasticité cristalline toujours plus physiques [Meric et Cailletaud 1991, Busso, 2005, Roters 2010]. L'utilisation de solveurs éléments-finis ou FFT permettent aujourd'hui de conduire des calculs avec de grands nombres de degrés de liberté et une discrétisation suffisante pour simuler les champs intragranulaires en 3D. Pour autant les comparaisons expérimentales – simulation à cette échelle restent rares. De ce fait, la promesse de « remonter les échelles » reste pour l'essentiel non tenue. Une question ouverte est par exemple : qu'est ce qui provoque l'apparition d'une bande de localisation transgranulaire à l'échelle de l'éprouvette à partir de la déformation des grains individuels.
Dans cette thèse, nous proposons d'étudier les effets de la microstructure polycristalline sur l'hétérogénéité de la déformation à différentes échelles sur la même éprouvette en surface comme à l'intérieur de la matière. La texture du matériau sera étudiée au préalable par EBSD et recalée sur les cartographies de déformation via une procédure automatisée.
Le lien entre les hétérogénéités de déformation précoces et le site de localisation et rupture final seront ainsi déterminés. Différentes géométries d'éprouvette comme traction entaillée, lisse et déformation plane seront étudiées.
Les résultats seront interprétés par des calculs élément finis ayant plusieurs degrés de complexité et fidélité à la microstructure réelle. Des modèles macroscopiques de plasticité anisotrope, des modèles à champs moyens et des maillages de microstructures seront mis en œuvre.
L'objectif scientifique est donc :
Etudier les effets polycristallins sur l'hétérogénéité de la déformation à longue portée, sur la localisation et la déformation à rupture.
Investiguer les effets de l'état mécanique en lien avec des effets polycristallins sur l'hétérogénéité de la déformation.
Établissement de la mesure de champs multi-échelles comme outil standard au laboratoire.

Encadrement

Directeur de thèse Henry Proudhon Centre des Matériaux MINES ParisTech
Co-directeur de thèse Thilo Morgeneyer Centre des Matériaux MINES ParisTech
Lieu : Centre des Matériaux MINES ParisTech (Evry 91)

Profil candidat

Pour être admis en doctorat, le candidat doit être titulaire d'un diplôme national de master ou d'un autre diplôme conférant le grade de master (diplôme d'ingénieur, diplôme étranger équivalent…), à l'issue d'un parcours de formation établissant son aptitude à la recherche.
Les candidats seront sélectionnés après entretien devant un jury évaluant leur aptitude à la recherche et l'adéquation de leur formation et connaissances avec le sujet de thèse proposé. De solides connaissances scientifiques, une première expérience en recherche (stage 4 mois minimum), une forte motivation pour la recherche, un bon niveau en anglais seront exigés (minimum B2).

Le dossier de candidature doit comporter :
• une lettre de motivation comportant le projet professionnel du candidat
• un curriculum vitae détaillé mentionnant études, stages de recherche effectués, diplômes avec date d'obtention, expérience professionnelle, axes de recherche envisagés
• un relevé de notes du cursus antérieur (cycle ingénieur et/ou master)
• une ou plusieurs lettres de recommandation...
• une attestation du niveau d'anglais.
• pour un étudiant non francophone, un niveau A2/B1 en français (référentiel européen) est recommandé à son entrée en doctorat
• pour les étudiants non titulaires d'un diplôme national de master recherche, tous documents attestant les qualifications de l'étudiant en matière de formation par la recherche (attestations stages de recherche avec résumé du mémoire, recommandations, publications…)
• une copie de carte d'identité ou passeport

Les pièces au format pdf sont à envoyer avant le 8 juin 2020 à
recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

SEULES LES CANDIDATURES ADRESSÉES PAR E-MAIL SERONT PRISES EN COMPTE

To be admitted to a doctorate, the candidate must hold a national master's degree or another diploma conferring the master's degree (engineering diploma, equivalent foreign diploma, etc.), following a course of training establishing his research aptitude.
Applicants will be selected after interview before a jury assessing their research aptitude and the adequacy of their training and knowledge with the proposed thesis subject. Strong scientific knowledge, a first research experience (internship 4 months minimum), a strong motivation for research, a good level in English will be required (minimum B2).
The application must include:
• a motivation letter including the candidate's professional project
• a detailed curriculum vitae mentioning studies, research internships carried out, diplomas with date obtained, professional experience, research axes envisaged
• a transcript of marks from the previous course (engineer and / or master cycle)
• one or more letters of recommendation ...
• a certificate of English level.
• for a non-French speaking student, an A2 / B1 level in French (European standard) is recommended when entering a doctorate
• for students who do not hold a national research masterÂ's diploma, all documents attesting to the studentÂ's qualifications in research training (research internship certificates with summary of the dissertation, recommendations, publications, etc.)
• a copy of identity card or passport

The documents in pdf format must be sent to recruitment_these@mat.mines-paristech.fr no later than June 8

ONLY THE APPLICATIONS ADDRESSED BY E-MAIL WILL BE TAKEN INTO ACCOUNT

Résultat attendu

Méthodologie de mesure de champs MEB et microscope optique in situ pour
plusieurs géométries d'éprouvettes
Publication d'articles
Manuscrit de thèse

Références

[Busso 2005] Busso, E., Cailletaud, G., 2005. On the selection of active slip systems in crystal plasticity. Int. J. Plast. 21, 2212e2231.
[Chen 2018] Z. Chen, S. Daly, Deformation twin identification in magnesium through clustering and computer vision, 2018, Materials Science and Engineering: A, Volume 736, Pages 61-75
[Echlin 2016] Echlin, M.P., Stinville, J.C., Miller, V.M., Lenthe, W.C., Pollock, T.M., 2016. Incipient slip and long range plastic strain localization in microtextured Ti-6Al-4V titanium. Acta Mater. 114, 164–175.
[Hoc 2003] Hoc, T., Crépin, J., Gélébart, L., Zaoui, A., 2003. A procedure for identifying the plastic behavior of single crystals from the local response of polycrystals. Acta Mater. 51, 5477–5488.
[Kasemer 2017] Kasemer, M., Echlin, M.P., Stinville, J.C., Pollock, T.M., Dawson, P., 2017. On slip initiation in equiaxed ?/? Ti-6Al-4V. Acta Mater. 136, 288–302.
[Méric 1991] L. Méric, P. Poubanne, and G. Cailletaud. Single crystal modeling for structural calculations. Part 1 : Model presentation. J. of Engng. Mat. Technol. , 113 :162–170, 1991.
[Morgeneyer 2014] T. F. Morgeneyer, T. Taillandier-Thomas, L. Helfen, T. Baumbach, I. Sinclair, S. Roux, F. Hild, In situ 3D observation of early strain localisation during failure of thin Al alloy (2198) sheet, (2014) , Acta Materialia 69, 78-91.
[Rice and Tracey 1976] J. Rice, D. Tracey, On the ductile enlargement of voids in triaxial stress fields, (1969), J. Mech. Phys. Solids 17, 201-217.
[Roters 2010] Roters, F., Eisenlohr, P., Hantcherli, L., Tjahjanto, D., Bieler, T., Raabe, D., 2010. Overview of constitutive laws, kinematics, homogenization and multiscale methods in crystal plasticity finite-element modeling: theory, experiments, applications. Acta Mater. 58, 1152-1211.

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

Partenariat/contrat

À la rentrée 2020 le centre des Matériaux engagera 3 contrats doctoraux sur les sujets suivants :
Sujet 1 : Effet de la pré-déformation sur la précipitation dans des alliages à base d'aluminium : étude expérimentale et modélisation. Encadrement : Vladimir Esin, Charbel Moussa (CEMEF)
Sujets 2 et 3 : 2 sujets parmi les 5 sujets ci-dessous seront sélectionnés après concours sur audition des candidats :
- Analyse du couplage transformation de phase et endommagement en conditions anisothermes par la méthode des champs de phase: cas du cyclage thermique dans les revêtements de diffusion. Encadrement Kaïs Ammar, Vincent Maurel, Samuel Forest
- Effet du procédé sur la microstructure et les propriétés de l'acier inoxydable 316L élaboré par fabrication additive. Encadrement : Sylvain Dépinoy, Jérôme Crépin
- Vers une nouvelle génération de poudres pour la projection cold spray: enrobage de particules de polymères par des particules métalliques ou d'oxydes métalliques. Encadrement : Jean-François Hochepied, Francesco Delloro
- Effets polycristallins sur l'interaction entre déformation et endommagement : mesures 4D et calculs EF de micro/structures Encadrement: Thilo Morgeneyer, Henry Proudhon
- Etude multi-échelles des mécanismes thermo-mécaniques du frottement. Encadrement : Vladislav Yastrebov, Cristian Ovalle

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