Etude des propriétés mécaniques des matériaux métalliques nanocristallins par des simulations de dynamique moléculaire

Le SMAT est un procédé de traitement de surface répandu dans le domaine industriel. Ce procédé est capable de nanocristalliser la surface de pièces traitées et produisent ainsi un durcissement local de la surface toute en conservant la ductilité du cœur du matériau. Dans ce contexte, la caractérisation des mécanismes de déformations à différentes échelles (du micron au nanomètre) est indispensable afin de créer des modèles constitutifs permettant de décrire précisément le comportement mécanique des pièces traitées. Les mécanismes de déformations de la couche nanocristalline sont assez mal compris. La densité élevée des joints de grains dans cette couche change radicalement la réponse mécanique par rapport à des grains de taille micrométrique. Pour ces raisons, la dynamique moléculaire a été utilisée pour exploiter les mécanismes de déformations des matériaux métalliques nanocristallins à l’échelle atomique.Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une nouvelle méthode de génération des échantillons numériques nanocristallins par fusion-refroidissement d’un monocristal.Dans une deuxième partie, nous avons étudié l’effet de la taille des grains sur les propriétés mécaniques du cuivre FCC et d’une forme cristalline du titane (-Ti HCP) nanocristallins. Les mécanismes de déformations de ces matériaux ont été étudiés et caractérisés à l’échelle atomique, en lien avec les propriétés mécaniques. Finalement, l’influence du taux de déformation sur la réponse mécanique du cuivre nanocristallin a été étudiée.Surface mechanical attrition treatment (SMAT) is a type of surface treatment process widely used in industrial applications. SMAT is able to nanocrystallize the surface, and to generate a gradient of grain size along with increasing material depth, thereby combining strength and ductility. In this context, the characterization of the deformation mechanisms of each layer from the micro to the nanoscale is timely and desirable. This should lead to multiscale constitutive models able to describe accurately the mechanical behavior of the treated specimens. The mechanical behavior of the nanocrystalline materials still not well understood. The high density of grain boundaries changes radically the mechanical response in comparison with materials containing only micro-grains. To this aim, molecular dynamics simulations (MD) have been employed in order to study the mechanical behavior of the nanocrystalline surface layer that results from SMAT at the atomic scale. First, a new melting cooling method has been developed to generate realistic numerical initial atomic configurations for MD simulations. Secondly, the effect of the grain size on the mechanical behavior of FCC nanocrystalline Copper and HCP nanocrystalline Titanium (-Ti) has been investigated. The deformation mechanisms of these systems are explored and analyzed at the atomic level. Finally, the strain rate dependence of the mechanical and the relaxation behavior of nanocrystalline Copper models is studied