Characterization and identification of the thermomechanical behavior of coarse-grained polycrystalline aluminum under tensile conditions
Caractérisation et identification du comportement thermomécanique de multi-cristaux d'aluminium
Résumé
The main objective of this PhD thesis is to establish an energy balance at the grain
scale in order to assess the thermomechanical consistency of material models used to predict the
development of crystal plasticity of metals.
The first part of this work consists in setting a protocol allowing the material elaboration with
the desired microstructure which is to be compatible with the use of classical macroscopic observation
devices. The obtained coarse-grained aluminum samples (with centimeter grains) are used in cyclic
tensile tests. During these tests, the kinematic and thermal fields are recorded with Digital Image
Correlation and Infra-Red Thermography techniques.
Two specific imaging techniques were developed. They allow introducing ad hoc hypotheses
(i.e. consistent with microstructure) on the kinematic and the thermal fields. In this work, these
hypotheses consist in intra-granular continuity conditions on the displacement, temperature and heat
flux fields. These methods give independent measures on each grain while improving the robustness
of the measurement methods. These methods were numerically validated using computer-generated
images heterogeneously loaded.
Cyclic tests were finally performed on the processed aluminum multi-crystals. The developed
methods allowed the observation of the development of intra-granular plasticity and the development
of inter-granular cracking.
L’objectif ultime de ce travail de thèse consiste à établir un bilan énergétique à l’échelle
du grain afin de caractériser et de vérifier la cohérence thermodynamique de modèles de comportement
utilisés pour rendre compte du développement de la plasticité cristalline dans les matériaux
métalliques.
La première partie de ce travail a consisté à mettre en place un protocole d’élaboration du matériau
permettant d’obtenir la microstructure souhaitée, compatible avec des moyens d’observations
macroscopiques. Les échantillons d’aluminium à très gros grains (centimétriques) ainsi obtenus sont
utilisés pour effectuer des essais cycliques durant lesquels les champs cinématiques et thermiques
sont mesurés au moyen de techniques de Corrélation d’Images Numériques et de Thermographie
Infra-rouge.
Deux techniques de traitement d’image spécifiques ont été proposées. Elles permettent d’introduire
des hypothèses sur les champs cinématiques et thermiques qui soient adaptées à la microstructure
(ici continuité intra-granulaire du déplacement, de la température et du flux). Ces méthodes
permettent d’accéder à des mesures complètement indépendantes d’un grain à l’autre tout en améliorant
la robustesse des méthodes de mesure. Ces méthodes ont été validées numériquement en
utilisant des images de synthèse sur lesquelles ont été appliqués des champs hétérogènes.
Une campagne d’essais cycliques a enfin été menée sur les multi-cristaux d’aluminium élaborés.
Les méthodes développées ont permis d’observer le développement de la plasticité intra-granulaire
et le développement de la fissuration inter-granulaire.