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Le 12 janvier 2022

Soutenance de thèse de Vikram PHALKE

Prédiction des effets de taille et régularisation de la formation de bandes de cisaillement adiabatiques dans les monocristaux et les polycristaux: Approche de plasticité cristalline à gradient

Résumé de la thèse en français

Les modèles classiques de plasticité cristalline ne parviennent pas à capturer les effets de taille observés expérimentalement, à savoir, plus la taille est petite, plus la force est grande. Les modèles classiques de plasticité cristalline montrent également une dépendance de maille fausse dans les problèmes de localisation de déformation en raison de l'absence d'une échelle de longueur caractéristique dans le cadre constitutif. Les modèles de plasticité de cristalline de gradient de déformation peuvent surmonter les limites susmentionnées des modèles de plasticité de cristalline classiques. Cependant, la mise en œuvre du modèle de plasticité de gradient de déformation dans le logiciel commercial des techniciens de maintenance est difficile en raison du cadre constitutif complexe. Dans le présent travail, les modèles de plasticité des cristalline de gradient de déformation, spécifiquement la plasticité des cristalline micromorphiques d'ordre réduit et les modèles basés sur le multiplicateur de Lagrange, sont utilisés pour prédire l'effet de taille dans des tests de torsion de microfils monocristallins. Une comparaison est effectuée entre l'effet de taille prévu en utilisant le modèle basé sur le multiplicateur de Lagrange et celui fait par le modèle CurlFp de la littérature, qui est basé sur le tenseur de densité de dislocation complet. De plus, la localisation des déformations due à l'élévation de la température est étudiée. Une formulation thermodynamique cohérente des équations constitutives est proposée pour le modèle de plasticité cristalline classique et micromorphique. Ce cadre thermodynamique cohérent est appliqué pour étudier le processus de formation de bandes de cisaillement adiabatique dans des matériaux métalliques CFC monocristallins et poly-cristallins. Cinq orientations cristallines différentes d'un seul spécimen en forme de chapeau sont considérées pour étudier la formation, l'intensité et l'orientation des bandes de cisaillement. La formation de bandes de cisaillement adiabatiques et l'effet granulométrique sont étudiés dans des agrégats polycristallins en forme de chapeau. Il est également essentiel de prévoir l'énergie emmagasinée pour comprendre la déformation plastique et les mécanismes de récupération et de recristallisation qui en découlent. Des modèles thermodynamiques de plasticité des cristalline classiques et micromorphiques sont utilisés pour prédire l'énergie emmagasinée dans des matériaux métalliques CFC monocristallins et polycristallins. À cette fin, nous proposons un moyen facile de mettre en œuvre le modèle de plasticité micromorphique dans le logiciel commercial FE en utilisant l'analogie entre la thermomécanique classique et la théorie de la plasticité micromorphique. Dans ce travail, il est démontré que, dans les processus cycliques de déformation plastique non uniforme, le gradient de la variable interne à valeur scalaire dans le modèle à ordre réduit prédit un durcissement isotropique, contrairement au durcissement cinématique produit par le modèle CurlFp en raison d'une dislocation-composant induit de stress dorsal. L'étude de la formation de bandes de cisaillement adiabatiques dans des cristaux isolés a montré qu'une orientation particulière du cristal est résistante à la formation de bandes de cisaillement. Dans les simulations polycristallines, les limites des grains constituent des obstacles à la formation de bandes de cisaillement. Les simulations dans des conditions isothermes prédisent un effet significatif sur la taille des grains. Dans l'étude de la prévision de l'énergie emmagasinée, un facteur ad-hoc est introduit dans l'expression de l'énergie emmagasinée et considéré comme un paramètre approprié pour représenter adéquatement l'énergie emmagasinée mesurée expérimentalement dans la littérature. Enfin, il est démontré que la théorie de la plasticité micromorphique pourrait être mise en œuvre dans un logiciel FE commercial d'une manière relativement simple et simple, avec seulement des modifications mineures dans leurs procédures.

Résumé de la thèse en anglais

Classical crystal plasticity models fail to capture experimentally observed size effects, namely, the smaller the size the greater the strength. Classical crystal plasticity models also show spurious mesh dependency in strain localization problems due to the lack of a characteristic length scale in the constitutive framework. Strain gradient crystal plasticity models can overcome above mentioned limitations of the classical crystal plasticity models. However, implementing the strain gradient plasticity model in commercial FE software is challenging due to the complex constitutive framework. In the present work, strain gradient crystal plasticity models, specifically reduced-order micromorphic crystal plasticity and Lagrange multiplier-based models, are used to predict the size effect in single crystals microwire torsion tests. A comparison is performed between the predicted size effect using the Lagrange multiplier-based model and that made by the CurlFp model from the literature, which is based on the complete dislocation density tensor. Moreover, strain localization due to temperature rise is investigated. A thermodynamically consistent formulation of the constitutive equations is proposed for the classical and micromorphic crystal plasticity model. This thermodynamically consistent framework is applied to investigate the adiabatic shear band (ASB) formation process in single and poly-crystalline FCC metallic materials. Five different crystal orientations of a single crystal hat-shaped specimen are considered to study the formation, intensity, and orientation of shear bands. The formation of ASB and the grain size effect are investigated in hat-shaped polycrystalline aggregates. Predicting the stored energy is also essential to understand the plastic deformation and subsequent recovery and recrystallization mechanisms. A thermodynamically consistent classical and micromorphic crystal plasticity models are used to predict the stored energy in single and poly-crystalline FCC metallic materials. To this end, we propose an easy way to implement the micromorphic plasticity model in commercial FE software using the analogy between classical thermo-mechanics and micromorphic plasticity theory. In this work, it is shown that, in cyclic non-uniform plastic deformation processes, the gradient of the scalar-valued internal variable in the reduced-order model predicts isotropic hardening in contrast to the kinematic hardening produced by the CurlFp model due to a dislocation-induced back-stress component. The investigation of the ASB formation in single crystals showed that one particular crystal orientation is resistant to shear banding. In polycrystalline simulations, the grain boundaries act as obstacles against shear band formation. A significant grain size effect is predicted by the simulations under isothermal conditions. In the study of stored energy prediction, an ad-hoc factor is introduced in the stored energy expression and considered a fitting parameter to adequately represent the experimentally measured stored energy from the literature. Finally, it is shown that the micromorphic plasticity theory could be implemented in a commercial FE software in a relatively easy and straightforward manner, with only minor modifications in their procedures.

Titre anglais : Prediction of size effects and regularization of adiabatic shear band formation in single and poly-crystals: Gradient crystal plasticity approach
Date de soutenance : mercredi 12 janvier 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech 60 Bd Saint-Michel 75272 Paris - L109
Directeur de thèse : Samuel FOREST
Codirecteur : Arjen ROOS

> plus d'informations sur le site dédié Soutenance de thèse de Vikram PHALKE - MINES ParisTech

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