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Déformation et Rhéologie

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Présentation au sujet: "Déformation et Rhéologie"— Transcription de la présentation:

1 Déformation et Rhéologie
Patrick Cordier Laboratoire de Structure et Propriétés de l'Etat Solide - ESA 8008 Université de Lille I

2 Rhéologie Rhéologie des magmas Viscosité du noyau
Dissolution - cristallisation Plasticité - Déformation à l'état solide de matériaux cristallins Rôle des défauts cristallins Défauts ponctuels Dislocations

3 Au menu: Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

4 Sciences des Matériaux
Métallurgie Physique Sciences de la Terre

5 Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

6 Plasticité des minéraux: hier...
Revue de Evans et Dresen (Rev. Geophys. 1991) Olivine (loi de fluage et défauts ponctuels) Quartz (adoucissement hydrolytique) Recristallisation et textures Matériaux biphasés Application de la mécanique de la rupture Friction

7 Quel bilan ? Transferts des concepts de la métallurgie physique
Développements expérimentaux Des cas pathologiques (Quartz) Importance des fluides Importance de la fusion partielle De la difficulté d'obtenir et d'extrapoler des lois rhéologiques

8 De la dislocation à la tectonique...
…la route est longue…… Un essoufflement ?

9 De la dislocation à la mécanique...
…la route est longue…… Un essoufflement ?

10 Des défis, encore des défis...
Transferts d'échelles Dans le temps et dans l'espace... Conditions extrêmes Pression Grandes déformations Vitesses de déformation

11 Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

12 Vitesses de déformation
10-15 10-10 10-5 10-1 s-1 Nature Laboratoire Extrapoler …? à mécanisme constant !

13 Transfert d'échelle: le temps
10-15 10-10 10-5 10-1 s-1 Nature Laboratoire Compréhension des mécanismes Etudes microstructurales

14 Vitesses de déformation
10-15 10-10 10-5 10-1 s-1 Nature Laboratoire Expériences de fluage à très faibles vitesses de déformation (Toulouse)

15 Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

16 Grandes déformations Sciences des matériaux: Laminage Tréfilage
Approche de laboratoire Equal Channel Angular Extrusion

17 Grandes déformations Minéralogie: Torsion Analyse des textures EBSD
Synchrotron Modélisation (Montpellier)

18 Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

19 Expériences de déformation
Depth P, T "Griggs" Confinement solide (4 GPa) "Paterson" Confinement gazeux (0.7 GPa) 3 GPa 1100°C 100 km Olivine (Mg, Fe)2SiO4 Pyroxenes (Mg, Fe)SiO3 (Ca, Mg, Fe)2Si2O6 Grenats (Mg, Fe, Ca)3 Al2Si3O12 Magnesiowustite (Mg, Fe)O Manteau supérieur 13 GPa 1400°C 410 km Zone de transition 520 km 23 GPa 1600°C 670 km Manteau inférieur 135 GPa 3500°C 2900 km

20 Expériences de hautes pressions
Depth P, T Cellule à enclumes De diamants Presse Multi-enclumes 100 km 3 GPa 1100°C Olivine (Mg, Fe)2SiO4 Wadsleyite Ringwoodite Pyroxenes (Mg, Fe)SiO3 (Ca, Mg, Fe)2Si2O6 Perovskite (Mg, Fe, Al)(Si, Al)SiO3-x CaSiO3 Magnesiowustite (Mg, Fe)O Grenats (Mg, Fe, Ca)3 Al2Si3O12 Grenat (Mg, Fe, Ca)3(Al, Si)2Si3O12 Manteau supérieur 410 km 13 GPa 1400°C Zone de transition 520 km 670 km 23 GPa 1600°C Manteau inférieur 135 GPa 3500°C 2900 km

21 Assemblage HP MgO Zircone Pyrophyllite Four LaCrO3 Alumine MgO dopé Cr
Molybdène

22 Assemblage de déformation HP
MgO Zircone Pyrophyllite Four LaCrO3 Alumine MgO dopé Cr Molybdène

23 Expérience de déformation
Conditions P, T P T Temps

24 Expérience de déformation
Pressurisation à froid P T Temps

25 Expérience de déformation
Pressurisation à froid P T Contraintes différentielles Temps

26 Expérience de déformation
Chauffage P T Relaxation des contraintes Temps

27 Expérience de déformation
Chauffage P T Relaxation des contraintes Déformation plastique Temps

28 Assemblage de déformation HP
Expérience à 22 GPa Piston d'alumine Zircone Thermocouple LaCrO3 Echantillon de Ringwoodite (capsule Re) MgO Piston d'alumine Alumine poreuse MgO dopé Cr 1 mm

29 Domaines de pression accessibles
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 P (GPa) 18/11 14/8 10/5 10/4 ou 7/3 5-8 V (mm ) (Garnet) (Stishovite) (Majorite) Taille de l'octaèdre / longueur de la troncature (mm) (Ringwoodite) (Wadsleyite) (Perovskite)

30 Des expériences complexes
Histoire thermo-mécanique Compression A froid Chauffage Déformation ? Déformation Restauration Contrainte Temps

31 Des expériences complexes
Histoire thermo-mécanique Compression A froid Chauffage Déformation Déformation Restauration Contrainte Temps

32 Déformation en cisaillement
(D'après Karato & Rubie (1997), simplifié !) MgO Zirconia Pyrophyllite LaCrO3 Alumina Cr-doped MgO Molybdenum

33 Déformation en cisaillement
Expérience à 14 GPa Piston d'alumine Echantillon (Bi-couche olivine / wadsleyite) Piston d'alumine 500 nm

34 Démarche actuelle + =

35 Démarche actuelle + =

36 Quelques résultats Perovskite MgSiO3 - 26 GPa
Wadsleyite Mg2SiO GPa Ilmenite MgSiO GPa Stishovite - 14 GPa Ringwoodite Mg2SiO GPa

37 Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

38 De vraies machines de déformation !
DIA D-DIA BGI (Frost) LLNL (Durham)

39 De vraies machines de déformation !
Rotational Drickamer Apparatus Yale (Karato)

40 Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

41 Couplage HP / RX synchrotron
Rayonnement synhrotron Photo anneau D. Weidner

42 Couplage HP / RX synchrotron
10 GPa 2000 K 20 GPa 2000 K Laisser passer le faisceau

43 DIA - Coupe

44 Mesurer enfin ! La déformation
Radiographie X Enclumes en BN cubique Vitesses de déformation inférieures à 10-6/s Olivine à 9 GPa (Crédit Li Li SUNY Stony Brook)

45 Mesurer enfin ! Les contraintes
Elargissement et déplacement des pics de Bragg Mesure de l'ellipticité des anneaux de Debye Résolution ~ kbar

46 Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

47 Déformation plastique
Du défaut cristallin au grain déformé: Une microstructure au travail ! Dislocations dans la wadsleyite Cliché MET (E. Thurel)

48 Une microstructure au travail:
Problème à N corps ( m-2) Interaction élastique à longue portée   1/r Dislocations dans la wadsleyite Cliché MET (E. Thurel)

49 Simulation numérique Approche atomistique
Emission de dislocations en tête de fissure 100 millions d'atomes Farid Abraham, IBM Research Division, Almaden Research Center (P.I.)

50 Simulation numérique: Dynamique des dislocations
Segments de dislocations Interaction élastique Mécanismes microscopiques Lois de vitesse Crédit: LEM - CNRS/ONERA

51 Simulation numérique: Dynamique des dislocations
Modéliser les phénomènes élémentaires de plasticité Source de Frank et Read Crédit: LEM - CNRS/ONERA (http://zig.onera.fr/lem/DisGallery/bdevincre/boite_film.gif)

52 Simulation numérique: Dynamique des dislocations
Modéliser la déformation plastique Conditions initiales Essai de déformation (compression) Mo sous pression Crédit: LLNL

53 Simulation numérique: Dynamique des dislocations
Cuivre (cfc) 151515 m3 Traction selon [100]  = 0,1 % Crédit: LEM - CNRS/ONERA (http://zig.onera.fr/lem/DisGallery/bdevincre/boite_film.gif)

54 Simulation numérique: Dynamique des dislocations
Faire travailler les dislocations... Ta (cc) (Tang et al. 1996) …pour obtenir les lois rhéologiques

55 Du monocristal au polycristal
Dynamique des dislocations Volume élémentaire Représentatif du polycristal Champ de déformation Plastique équivalente En traction Crédit: S. Forest (Mines Paris)

56 Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru
Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

57 Esquisse d'une nouvelle approche
Expérimenter Mesurer Modéliser Mécanismes microscopiques Assemblage Nouvelles machines Données mécaniques Lois rhéologiques


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