Hafsa Jaber : Complexité de la plasticité à différentes échelles : instabilités macroscopiques, avalanches de dislocations, dualité onde-intermittence

Jury

• Mikhail Lebedkin (Université de Lorraine, directeur de thèse)
• Benoit Beausir (Université de Lorraine, co-directeur de thèse)
• Manuel François (Université de technologie de Troyes, rapporteur)
• Véronique Doquet (École Polytechnique – Palaiseau, rapporteuse)
• Roxane Massion (Université de Lorraine, examinatrice)
• Matthieu Mazière (Paris Sciences et Lettres, examinateur)

Mots clés : auto-organisation des défauts cristallins, instabilité plastique, hétérogénéité de la déformation plastique, émission acoustique, corrélation d’images, Analyse non linéaire

Abstract

Souvent perçue comme homogène à l’échelle macroscopique, la déformation plastique des matériaux cristallins révèle un comportement intrinsèquement hétérogène et intermittent à des échelles plus fines, dû aux phénomènes d’auto-organisation des dislocations. Le plus souvent confinés à des échelles mésoscopiques, ces derniers ne sont généralement pas pris en compte dans l’étude des comportements mécaniques des solides. Ils jouent cependant un rôle prépondérant dans les transitions entre les différentes échelles et constituent une clé pour de nouveaux progrès dans la compréhension de la plasticité des matériaux. De plus, dans certaines conditions, l’auto- organisation peut se manifester à une échelle macroscopique, notamment dans le cas de l’effet Portevin-Le Chatelier (PLC) qui engendre une instabilité menant à l’apparition de bandes de déformation et donnant lieu à des courbes de déformation saccadées.

Les études antérieures ont révélé que la dynamique collective des défauts cristallins conduit à un grand nombre de phénomènes. L’objectif de cette thèse est de réaliser une approche complexe ayant l’ambition de réunir des points de vue distincts, notamment de pouvoir discriminer les mécanismes dynamiques de nature générale des mécanismes spécifiques aux matériaux. L’étude expérimentale est réalisée en combinant des techniques ciblant chacune une gamme d’échelles, telles que des essais de traction, de corrélation d’images numériques (DIC) et d’émission acoustique (EA). L’approche expérimentale est renforcée par une analyse de données à l’aide de méthodes issues de la théorie des systèmes dynamiques (analyses statistiques, spectrales, multi- fractales, d’entropie. . .). Deux matériaux sont étudiés de ce travail : un alliage modèle d’Al3%Mg pour l’étude de l’effet PLC et un alliage à haute entropie (HEA), Al0.3CoCrFeNi, présentant des courbes de traction parfaitement lisses à température ambiante.

Le choix d’un alliage manifestant l’effet PLC permet d’explorer les liens entre les échelles macroscopique et mésoscopique dans des conditions de forte auto-organisation des dislocations. De plus, compte tenu du rôle que les surfaces d’une éprouvette peuvent jouer pour la nucléation des bandes PLC, cette recherche traite également de l’effet de pré-déformation de la surface par la technique SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment). Il a été constaté que les échantillons traités présentent une résistance accrue sans détérioration de la ductilité par rapport au matériau initial. Ces modifications sont susceptibles d’être corrélées aux modifications des effets associés aux processus collectifs de la déformation. La méthode DIC permet notamment d’observer une tendance à l’affaiblissement de la localisation de la déformation. Un accent particulier est mis sur une étude des hétérogénéités fines en dehors des bandes PLC, manifestant une compétition entre une intermittence en forme de sursauts de la vitesse de déformation locale et une propagation de ces événements le long de l’éprouvette (dualité onde-intermittence).

L’étude du HEA montre qu’une telle dualité est également présente dans ce matériau à structure cristalline particulière. En même temps, les motifs pertinents manifestent de nombreuses propriétés, distinguant son comportement de celui observé dans l’alliage AlMg. Il peut alors être suggéré que le mécanisme dynamique opérant à ces échelles est identique à plusieurs matériaux, mais que ce mécanisme engendre une grande diversité de motifs spécifiques. L’absence d’instabilité macroscopique masquant le comportement à l’échelle fine, permet l’application d’analyses non linéaires aux divers ensembles de données. Ces résultats révèlent des transitions entre des régimes dynamiques distincts, pouvant être assimilés à des bruits de différentes couleurs, notamment le bruit bleu rarement observé dans les systèmes complexes.