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Fiche descriptive du sujet de thèse

POURVU - [CONTRAT DOCTORAL] Effets polycristallins sur l'interaction entre déformation et endommagement : mesures 4D et calculs Eléments-Finis de microstructures

POURVU - [CONTRAT DOCTORAL] Effets polycristallins sur l'interaction entre déformation et endommagement : mesures 4D et calculs Eléments-Finis de microstructures

PROVIDED - [DOCTORAL CONTRACT] Polycrystalline effects on the interaction between deformation and damage : 4D measurements and finite element calculations of microstructures

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

MORGENEYER Thilo

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactThilo MORGENEYER
Date de validité

01/10/2021

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

Tomographie en contraste de diffraction, EBSD, mesure de champs, hétérogénéité et localisation de la déformation, déformation à rupture, triaxialité

Diffraction contrast tomography, EBSD, field measurement, heterogeneity and localization of the deformation, deformation at breakage, triaxiality

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 caractérisation 3D novatrices couplées à des essais in situ au MEB, en microscopie optique et tomo/laminographie X avec mesure de champs multi-échelles seront réalisés et interprétés par calculs EF polycristallins via la méthode du jumeau numérique.

The thesis proposes to study the polycrystalline effects on the heterogeneity of early deformation as a precursor of localization and final failure. For metallic sheets, this leads to unpredictable formability. Innovative 3D characterization coupled with in situ SEM, optical microscopy and X-ray tomography/laminography tests with multi-scale field measurements will be performed and interpreted by polycrystalline FE calculations via the numerical twin method.

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.

Alors que les techniques de caractérisations 3D des orientations cristallines se développent dans la communauté et deviennent compatible avec des VER de l'ordre du mm³ (DCT [Ludwig 2010], labDCT [Bachmann], Tribeam [Echlin 2015]), il est aujourd'hui possible d'envisager ce genre de caractérisation de manière systématique. La tomographie en Contraste de Diffraction est une technique de choix car non destructive et compatible avec des essais in situ. Le récent déploiement de la DCT sur la ligne Psiché de Soleil et la collaboration avec Zeiss pour l'utilisation de cette technique avec une source de laboratoire offre ainsi de perspectives nouvelles, y compris les échantillons à géométrie plane [Zeiss 2021].

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 [Morgeneyer 2021]. 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 finale 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.

Encadrement

Directeur de thèse : Thilo MORGENEYER - Centre des Matériaux
Co-Directeur de thèse : Henry PROUDHON - Centre des Matériaux

Profil candidat

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.

Le dossier de candidature doit comporter :
• une lettre de motivation pour effectuer un parcours doctoral sur le sujet de thèse ciblé et 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 05 mai 2021 à
recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

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

the candidate must hold a national master's degree or another degree conferring the grade of master (engineering degree, equivalent foreign degree...), at the end of a training course establishing his/her aptitude for research.

The application file must include
- a letter of motivation to pursue a doctoral program on the targeted thesis topic and including the candidate's professional project
- a detailed curriculum vitae mentioning the candidate's studies, research internships, diplomas with dates obtained, professional experience, and planned research areas
- a transcript of grades from previous studies (engineering and/or master)
- one or more letters of recommendation...
- a certificate of English level.
- for non-French speaking students, a level A2/B1 in French (European reference system) is recommended for entry into the doctoral program
- for students who do not hold a national research master's degree, all documents attesting to the student's qualifications in terms of training through research (attestations of research internships with a summary of the thesis, recommendations, publications, etc.)
- a copy of identity card or passport

The documents in pdf format must be sent before May 05, 2021 to
recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

ONLY APPLICATIONS SENT BY E-MAIL WILL BE TAKEN INTO ACCOUNT

Résultat attendu

Les résultats seront interprétés par des calculs élément finis de modèles existants au laboratoire ayant plusieurs degrés de complexité et fidélité à la microstructure réelle :
• Calculs avec modèles de plasticité macroscopique MMC
o Von Mises
o Plasticité anisotrope (Barlat, Bron Besson)
• Calculs utilisant tenant compte des orientations cristallines
o Maillage explicite de grains à partir de microstructures réelles
* Hypothèses déformation plane/contrainte plane possible pour grains de forme très anisotrope
* Aggrégats
• critères de localisation dans les polycristaux, tenant compte de la texture et la distorsion des surfaces de charges par des approches en champs moyens (homogénéisation polycristal)

Objectif

L'objectif scientifique est donc :
Étudier 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.

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 α/β 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.
[Morgeneyer 2021] T.F. Morgeneyer, M. Khadyko, A. Buljac, L. Helfen, F. Hild, A. Benallal, T. Borvik, O.S. Hopperstad, On crystallographic aspects of heterogeneous plastic flow during ductile tearing: 3D measurements and crystal plasticity simulations for AA7075-T651, International Journal of Plasticity, under revision
[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.
[Ludwig 2010] Ludwig W., King A., Herbig M., Reischig P., Marrow J., Babout L., Lauridsen E., Proudhon H. and Buffière J. Y., Characterization of Polycrystalline Materials Using Synchrotron {X}-ray Imaging and Diffraction Techniques, JOM 62(12) 1047-4838, 2010.
[Bachmann 2019] Bachmann F., Bale H., Gueninchault N., Holzner Ch. And Lauridsen E., 3D grain reconstruction from laboratory diffraction contrast tomography, J. App. Cryst. 52(3), 643-651, 2019.
[Echlin 2015] M. P. Echlin, M. Straw, S. Randolph, J. Filevich and T. M. Pollock, The TriBeam system: Femtosecond laser ablation in situ SEM, Materials Characterizaion, 100 1-12, 2015.
[Zeiss 2021] ZEISS Xradia CrystalCT : 3D Non-destructive Crystallographic and Microstructural Imaging in your Lab, N. Guéninchault, mars 2021.

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=36636

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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Le 10 décembre 2021 Soutenance de thèse de Antoine DÉBARRE

Le 9 décembre 2021 Rencontre avec Aurélie Jean

Du 20 juillet 2021 au 3 janvier 2022 Rentrée 2021 - 2022

Le 10 décembre 2021 Soutenance de thèse de Antoine DÉBARRE

Le 9 décembre 2021 Rencontre avec Aurélie Jean

Du 20 juillet 2021 au 3 janvier 2022 Rentrée 2021 - 2022

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