Experimental and numerical investigation of incipient plasticity in FCC polycrystals by X-ray synchrotron topotomography and CPFEM

La compréhension des mécanismes de déformation dans les matériaux polycristallins est un problème important, qui conditionne notre capacité à concevoir et à produire des pièces de structure plus sures et avec un impact environnemental moindre. Cette compréhension est aujourd'hui limitée par notre capacité à observer à la fois la microstructure du matériau et ses mécanismes de déformation en trois dimensions (3D) aux petites échelles, et à informer les simulations mécaniques à partir des mécanismes physique de déformations du réseau cristallin. Des progrès considérables ont été faits dans les dernières décennies avec les observations de surfaces (i.e. technique EBSD associée a de la corrélation d’image) qui a permis de nombreuses études combinant des observations expérimentales à des simulations, à partir de la surface de la microstructure. Cependant, une comparaison précise sans connaitre la microstructure sous-jacente reste un défi. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthodologie basée d'une part sur des mesures couplant la tomographie et la diffraction des rayons X, et d'autre part sur des simulations mécaniques de platicité cristalline. Cette approche permet une comparaison quantitative en volume entre les mécanismes de déformation, l’évolution de la courbure du réseau cristallin et les champs mécaniques simulés.Pour ce faire, une machine de traction dédiée aux expériences 4D d’imagerie par diffraction sur grands instruments a été conçue, et utilisée pour déformer en tension un échantillon d’Aluminium Lithium. La cartographie 3D de la microstructure a été obtenue par tomographie par contraste de diffraction, et un agrégat de trois grains dans le volume de l’échantillon a été choisi comme région d’intérêt pour des observation 4D par topotomographie. L’apparition des premières bandes de glissement en volume et leur évolution au cours du chargement ont été observées le long de plans cristallographiques bien définis. Les trois grains ont montré une activité plastique le long de deux familles de plans différents, pas toujours en accord avec une analyse macroscopique du facteur de Schmid, ce qui est attribué à l'influence du voisinage sur l'activation des systèmes de glissement. Les changements d’amplitude et d’orientation de la courbure moyenne des grains ont été mesures avec un niveau de détail sans précédent, par une analyse tridimensionnelle des courbes de reflexions.En parallèle, des simulations de la plasticité cristalline par éléments finis (CPFE) ont été menées utilisant la cartographie tridimensionnelle de la microstructure mesurée expérimentalement. Un chargement uniaxial de traction a été applique pour reproduire numériquement l’expérience, et comparer grain par grain l’activité plastique. L’activité des systèmes de glissement prédite par le modèle est conforme aux observations expérimentales d’une activité plastique le long de deux plans. Un cadre mathématique pour prédire l’angle de Bragg local en fonction des déformations et des rotations du réseau cristallin a été formulé. Un post-traitement des champs intragranulaires de déformation à partir des résultats des simulations CPFE a montré une excellente concordance avec les résultats expérimentaux. Ce résultat confirme que la topotomographie in-situ aux rayons X est un outil prometteur pour l’étude des premiers stades de la plasticité cristalline en volume.Understanding the intimate details of plastic deformation in polycrystalline materials is an important issue to improve material design and ultimately produce safer structural parts with less impact on the environment. This understanding is presently limited by our ability to observe both the microstructure of the material and the deformation processes in three dimensions (3D) at small length scales and inform mechanical simulations with physical deformation mechanisms of the crystal lattice. Considerable progress has been made in the last decade with surface observation (eg EBSD coupled to digital image correlation) which led to numerous studies combining experimental observations and simulations from the surface microstructure. However, an accurate comparison without knowing the underlying microstructure remain challenging. In this work, we propose a new methodology which allows a quantitative comparison between the observation of deformation mechanisms, the evolution of the grain lattice curvature and the simulated mechanical fields.For that purpose, a mechanical stress rig dedicated for synchrotron 4D diffraction imaging experiments has been designed, and used to deform an Aluminium-Lithium specimen under tension. The 3D grain map has been obtained by diffraction contrast tomography analysis, and a cluster of three grains within the bulk has been selected to be the region of interest of the 4D observation by X-ray topotomography. The appearance and evolution of 3D crystalline defects as a function of the applied load has been observed to be located along well defined crystallographic planes. All three grains showed plastic activity on along two different set of planes, which is not always coherent with a macroscopic Schmid Factor analysis. The change of the amplitude and the orientation of the average grain curvature has been measured with an unprecedented level of detail by means of 3D rocking curve analysis.In parallel, crystal plasticity finite element (CPFE) simulations have been carried using the 3D grain map measured experimentally. Tension loading was applied to reproduce the experiment numerically and compare the plastic activity on a grain by grain basis. The slip system activity predicted by the model matches in most cases the observed two slip system scenario. A mathematical framework to predict the local Bragg angle based on the stretch and rotation of the crystal lattice by the elastic strain tensor was derived. Post-processing the intragranular strains fields from the CPFE results allowed to simulate 3D rocking curves, showing excellent agreement with the experimental measurements. This result confirms that in situ X-ray topotomography is a promising tool to study the early stage of polycrystal plasticity within the bulk of millimetric material specimens