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Champ de contrainte locale et champ de dislocations – la glace comme matériau modèle.

par Maurine Montagnat - 10 avril 2015 - ( maj : 10 avril 2015 )

Glaciologie, géophysique et mécanique sont en accord parfait pour comprendre le comportement en déformation des matériaux à forte anisotropie viscoplastique, comme la glace... Un article récemment paru dans Acta Materialia en est la preuve (Piazolo et al. 2015)

La glace est un matériau de structure cristallographique hexagonale, qui se déforme de manière viscoplastique, en activant des systèmes de glissement de dislocations, tout comme les métaux et de nombreux minéraux. Mais la glace a la particularité de posséder l’une des plus fortes anisotropies viscoplastiques. En effet, les dislocations semblent vouloir glisser quasi exclusiment sur le plan de base (perpendiculaire au grand axe de l’hexagone de la structure cristallographique), ce qui limite fortement les modes d’accommodation de la déformation ! On sait depuis longtemps que, en réponse à cette forte anisotropie, les déformations sont très hétérogènes et que ces hétérogénéités se concentrent proche des joints de grains et des points triples. Les dislocations s’y accumulent, s’y organisent, jusqu’à un “trop plein” (d’énergie) qui est à l’origine de mécanismes de recristallisation, qui modifient la microstructure en créant de nouveaux grains. Cependant, les limites des nos capacités d’observation n’ont jusque là permis d’observer ces organisations que de manière partielle ou indirecte... Récemment, des observations par microscopie électronique (cryo-EBSD) ont été effectuées sur des échantillons déformés en compression. Ces observations ont été analysées par la technique des Weighted Burgers Vectors pour caractériser l’organisation et la nature des dislocations accumulées proche des joints de grains et des points triples. On a alors observé que les plans de base se “tordent” pour permettre de répondre à la contrainte imposée localement. On observe des sous-joints de flexion fortement désorientés, et des “bandes en genoux”, qui rappellent les joints de mâcle des métaux, que l’on a pu caractériser avec précision (nature des dislocations...). Une modélisation local à champ complet (code CraFT et loi elasto-viscoplastique adaptée pour la glace, http://craft.lma.cnrs-mrs.fr) nous a permis de simuler les champs locaux de contrainte responsable de ces distortions locales des plans de glissement. Ce couplage observation – modélisation a donc mis en évidence les modes d’accommodation de la déformation dans la glace, qui semblent ne faire appel que marginalement à quelques dislocations hors du plan de base, mais utiliser le « pliage » des plans cristallographique via les bandes en genoux. Ces mécanismes sont des précuseurs aux mécanismes de recristallisation dynamique. Cette étude, sur la glace, peut-être transposée à d’autres matériaux fortement anisotropes tels que le magnésium ou le zirconium.

Champ de contrainte simulé, direction principale et amplitude (gauche, haut) autour d’un point triple correspondant à la zone analysée au microscope électronique (droite). Les flèches représentent les Weigthed Burgers Vectors associés aux champs de dislocations. Leurs orientations sont aussi tracées sur des figures de pole inverse (gauche, bas) permettant de donner l’axe des désorientations cristallographiques créees par ces structures de dislocations.

Collaborations

Sandra Piazolo, Macquarie University, Sydney

John Wheeler, Liverpool University

Hervé Moulinec, Lab. de Mécanique et d’Acoustique, Marseille

Références

S. Piazolo, M. Montagnat, F. Grennerat, H. Moulinec, J. Wheeler. Effect of local stress heterogeneities on dislocation fields : Examples from transient creep in polycrystalline ice. Acta Materialia, 2015, 90, 0, 303-309.

Wheeler, J., Mariani, E., Piazolo, S., Prior, D. J., Trimby, P., Drury, M. R. The weighted Burgers vector : a new quantity for constraining dislocation densities and types using electron backscatter diffraction on 2D sections through crystalline materials, Journal of Microscopy, 2009, 233, 3, 482-494

Suquet, P., H. Moulinec, O. Castelnau, M. Montagnat, N. Lahellec, F. Grennerat, P. Duval, R. Brenner (2012). Multi-scale modeling of the mechanical behavior of polycrystalline ice under transient creep. Procedia IUTAM 3 76-90.

Montagnat M., Blackford J.R., Piazolo S., Arnaud L. and Lebensohn R.A. Measurement and full-field predictions of deformation heterogeneities in ice (2011). EPSL, 305, 153-160.

Piazolo S., Montagnat M. and Blackford J.R. Substructure characterization of experimentally and naturally deformed ice using cryo-EBSD. (2008) J. Microscopy 230 (3) 509-519.

Contact : Maurine Montagnat, montagnat@lgge.obs.ujf-grenoble.fr