Essais 4D multimodaux et simulations numériques appliqués à l'étude de la plasticité cristalline - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2024

4D multimodal experimental testing and numerical simulations applied to the study of crystal plasticity

Essais 4D multimodaux et simulations numériques appliqués à l'étude de la plasticité cristalline

Clément Ribart
  • Function : Author
  • PersonId : 1350878
  • IdRef : 27559887X

Abstract

Establishing microstructure-property relationships is a critical challenge for the design of structural materials. Metals display an heterogeneous polycrystalline organisation which drives their performance, hence the need to access to the mechanical quantities of interest at the grain and sub-grain scales. A variety of characterization techniques now gives access to those levels of details. Recent progress in synchrotron and laboratory X-ray techniques have contributed to the rise of multimodal experiments, especially by allowing non destructive in situ testing. In particular, Diffraction Contrast Tomography (DCT), which belongs to the Diffraction Microcrostructure Imaging (DMI) techniques family, allows the reconstruction of 3D grain maps with their associated orientations field and actual morphology. These digital twins can be used directly for simulations. Improved convergence of experimental and numerical modalities leads to unified and massive databases. This represents an opportunity to unlock the understanding of the complex physical mechanisms at stake. The main objective of the present work is to contribute, with concrete use cases, to demonstrate the potential of this approach. We introduce two in situ multimodal datasets applied to polycristal plasticity, a critical deformation mechanism, on a commercially pure titanium. First, we assess the performance of the EBSD, synchrotron DCT and LabDCT techniquesused. A statistical registration technique allows to compare rigorously these modalities. Typical plasticity mechanisms are observed at the surface and in the volume (grains rotation, plastic slip and intragranular transmission, GND dislocations accumulation at grain boundaries, sub grain formation, dislocations walls). In addition, the FFT simulation performed on a DCT volume allowed us to validate the performance of the continuous crystal plasticity model, excepted in the vicinity of the non modelized precipitates. The last chapter presents a complementary numerical study of the performance of the LabDCT algorithm, commercialized by XNovo Technology, on a FCC microstructure in the deformed state. This studylies in the scope of extending the reconstruction applications of DMI techniques. We showed good performance of the algorithm for tracking grains rotations during the deformation. On the other hand, the program is not able to reconstruct a reliable intragranular orientation field.
Comprendre les liens étroits entre microstructure et propriétés est un objectif majeur pour la conception de matériaux de structure. Les métaux présentent une organisation polycristalline hétérogène qui pilote leur performance, d'où la nécessité d'accéder aux quantités mécaniques d'intérêt à l'échelle granulaire, voir intragranulaire. Un large éventail de techniques de caractérisation permet désormais d'observer ces échelles. Des avancées récentes sur les techniques RX, en synchrotron ou en laboratoire, ont contribué à l'essor des expériences multimodales, notamment par la réalisation d'essais in situ en volume non destructifs. En particulier la Tomographie par Constraste de Diffraction (DCT), appartenant à la familledes techniques d'Imagerie de Microstructure par Diffraction (DMI), permet de reconstruire des cartographies 3D de grains avec leurs orientations associées et une morphologie fidèle de la réalité. Les jumeaux numériques obtenus peuvent être utilisés directement pour des simulations. Cette convergence améliorée des modalités expérimentales ou numériques permet d'envisager des jeux de données massifs et unifiés. Cela constitue une opportunité pour mieux appréhender la complexité des mécanismes physiques. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer, sur des cas concrets, à démontrer le potentiel cette approche. Nous introduisons deux jeux de données multimodaux in situ appliqués à la plasticité cristalline, mécanisme majeur de la déformation, sur un titane commerciallement pur. Nous évaluons d'abord les performances des techniques EBSD, DCT synchrotron et LabDCT utilisées. Une solution de recalage statistique permet de comparer rigoureusement ces modalités. Des mécanismes caractéristiques de plasticité sont ensuite statistiquement mis en évidence en surface et en volume (rotation des grains, glissement plastique et transmission intergranulaire, accumulation de dislocations GND aux joints de grains, formation de sous grains, murs de dislocations). La simulation FFT réalisée sur un volume DCT a permis en outre de valider les performances du modèle de plasticité cristalline continu sauf au voisinage des précipités non modélisés. Le dernier chapitre présente une étude numérique complémentaire des performances de l'algorithme LabDCT, commercialisé par XNovo Technology, sur une microstructure CFC à l'état déformé. Cette étude s'inscrit dans la dynamique d'étendre les capacités de reconstruction des techniques DMI. Nous avons établi des performances satisfaisantes de l'algorithme pour suivre les rotations des grains au cours de la déformation. Par contre le programme n'est pas capable de reconstruire un champ intragranulaire d'orientations fiables.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04452745 , version 1 (12-02-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04452745 , version 1

Cite

Clément Ribart. Essais 4D multimodaux et simulations numériques appliqués à l'étude de la plasticité cristalline. Matériaux. Université Paris sciences et lettres, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UPSLM001⟩. ⟨tel-04452745⟩
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