On the role of defect incompatibilities on mechanical properties of polycrystalline aggregates: a multi-scale study - École polytechnique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

On the role of defect incompatibilities on mechanical properties of polycrystalline aggregates: a multi-scale study

Sur le rôle des incompatibilités de défauts sur les propriétés mécaniques des agrégats polycristallins : une étude multi-échelle

Résumé

The main objective of this thesis is to obtain critical insight on the role of crystalline incompatibilities in strain and curvature, induced in presence of line defects i.e. dislocations and disclinations, on the energy and geometry of specific features of the local microstructure, and on the bulk mechanical response of nanocrystalline/ultra-fine grained materials. To that end, studies are performed at the (1) inter-atomic and fine scale, and (2) at the mesoscale. The modelling approach is based on the field dislocation and disclination mechanics theory of continuously representated dislocations and disclinations. New, thermodynamically rigorous, multi-scale elastic constitutive laws based on the couple stress theory are developed to capture the effect of strain and curvature incompatibilities on the Cauchy and couple stresses. A new meso-scale elasto-viscoplastic constitutive model of defect incompatibilities based on a fast Fourier transform technique is developed. The desired scale transitioning is achieved via novel phenomenological defect density transport equations and the newly developed elastic constitutive laws. At the fine scale, the model is applied to study energetic interactions between strain and curvature incompatibilities associated with grain boundaries and their influence on triple line energies. Results reveal that incompatible lattice strains have the most significant contribution to the energy. Incompatible lattice curvatures have negligible energetic contributions but are necessary to characterize the geometry of grain boundaries. Finally, both incompatible lattice strains and curvatures are necessary to capture the structure sensitive mechanical behavior of grain boundaries. At the mesoscale, deformation of nanocrystalline aggregates characterized by residual curvatures is studied to identify the impact of the latter's presence on the local and bulk mechanical response of the aggregate. Relaxation of local stresses generated from residual curvatures reproduces the effect of GB dislocation emission. Uniaxial tensile loading of nanocrystalline microstructures containing residual curvatures reveals a softening in the yield stress which could explain the breakdown in Hall-Petch law in the nanocrystalline regime. Next, the possibility of characterizing incompatibilities using X-ray or neutron diffraction techniques is tested. Results reveal that only strains and their gradients contribute to the broadening of diffraction peaks; curvatures and their gradients have no contribution. This study leads to the development of a new multi-scale averaged strain based Fourier technique for generating virtual diffraction peaks.
L'objectif principal de cette thèse est d'obtenir un aperçu critique du rôle des incompatibilités cristallines dans la déformation et la courbure, induites en présence de défauts linéaires, c'est-à-dire les dislocations et les désinclinaisons, sur l'énergie et la géométrie des caractéristiques spécifiques de la microstructure locale, et sur l'ensemble des caractéristiques de la microstructure locale. réponse mécanique des matériaux nanocristallins/à grains ultra-fins. À cette fin, des études sont réalisées à l’échelle (1) inter-atomique et fine, et (2) à la méso-échelle. L'approche de modélisation est basée sur la théorie de la mécanique des dislocations et des désinclinaisons de champ des dislocations et des désinclinaisons représentées en continu. De nouvelles lois de comportement élastiques multi-échelles, thermodynamiquement rigoureuses, basées sur la théorie des contraintes de couple, sont développées pour capturer l'effet des incompatibilités de déformation et de courbure sur les contraintes de Cauchy et de couple. Un nouveau modèle constitutif élasto-viscoplastique à méso-échelle des incompatibilités de défauts basé sur une technique de transformée de Fourier rapide est développé. La transition d'échelle souhaitée est obtenue via de nouvelles équations phénoménologiques de transport de densité de défauts et les lois de comportement élastiques nouvellement développées. À l'échelle fine, le modèle est appliqué pour étudier les interactions énergétiques entre les incompatibilités de déformation et de courbure associées aux joints de grains et leur influence sur les énergies des lignes triples. Les résultats révèlent que les déformations de réseau incompatibles ont la contribution la plus significative à l'énergie. Les courbures de réseau incompatibles ont des contributions énergétiques négligeables mais sont nécessaires pour caractériser la géométrie des joints de grains. Enfin, les déformations et courbures incompatibles du réseau sont nécessaires pour capturer le comportement mécanique des joints de grains, sensible à la structure. A mésoéchelle, la déformation d'agrégats nanocristallins caractérisée par des courbures résiduelles est étudiée pour identifier l'impact de la présence de ces dernières sur la réponse mécanique locale et globale de l'agrégat. La relaxation des contraintes locales générées par les courbures résiduelles reproduit l'effet de l'émission de dislocation GB. Le chargement de traction uniaxial de microstructures nanocristallines contenant des courbures résiduelles révèle un adoucissement de la limite d'élasticité qui pourrait expliquer la rupture de la loi de Hall-Petch dans le régime nanocristallin. Ensuite, la possibilité de caractériser les incompatibilités par des techniques de diffraction des rayons X ou des neutrons est testée. Les résultats révèlent que seules les déformations et leurs gradients contribuent à l'élargissement des pics de diffraction ; les courbures et leurs gradients n'ont aucune contribution. Cette étude conduit au développement d'une nouvelle technique de Fourier multi-échelle basée sur la déformation moyenne pour générer des pics de diffraction virtuels.
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Dates et versions

tel-04306586 , version 1 (27-12-2023)

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Domaine public

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  • HAL Id : tel-04306586 , version 1

Lien texte intégral

Citer

Manas Vijay Upadhyay. On the role of defect incompatibilities on mechanical properties of polycrystalline aggregates: a multi-scale study. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Georgia Institute of Technology, USA, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04306586⟩
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