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

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

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

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

4 Sciences des Matériaux Métallurgie Physique Sciences de la Terre

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

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

7 Quel bilan ? n Transferts des concepts de la métallurgie physique n Développements expérimentaux n Des cas pathologiques (Quartz) n Importance des fluides n Importance de la fusion partielle n 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... n Transferts d'échelles u Dans le temps et dans l'espace... n Conditions extrêmes u Pression u Grandes déformations u Vitesses de déformation

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

12 10 -1 s LaboratoireNature Vitesses de déformation n Extrapoler …?à mécanisme constant !

13 10 -1 s Transfert d'échelle: le temps n Compréhension des mécanismes n Etudes microstructurales LaboratoireNature 10 -5

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

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

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

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

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

19 Expériences de déformation Manteau supérieur Manteau inférieur Zone de transition 3 GPa 1100°C 13 GPa 1400°C 23 GPa 1600°C 135 GPa 3500°C Depth 100 km 410 km 520 km 670 km 2900 km P, T "Griggs" Confinement solide (4 GPa) Olivine (Mg, Fe) 2 SiO 4 Pyroxenes (Mg, Fe)SiO 3 (Ca, Mg, Fe) 2 Si 2 O 6 Grenats (Mg, Fe, Ca) 3 Al 2 Si 3 O 12 Magnesiowustite (Mg, Fe)O "Paterson" Confinement gazeux (0.7 GPa)

20 Cellule à enclumes De diamants Expériences de hautes pressions Manteau supérieur Manteau inférieur Zone de transition Presse Multi-enclumes 3 GPa 1100°C 13 GPa 1400°C 23 GPa 1600°C 135 GPa 3500°C Depth 100 km 410 km 520 km 670 km 2900 km P, T Olivine (Mg, Fe) 2 SiO 4 Wadsleyite (Mg, Fe) 2 SiO 4 Ringwoodite (Mg, Fe) 2 SiO 4 Pyroxenes (Mg, Fe)SiO 3 (Ca, Mg, Fe) 2 Si 2 O 6 Perovskite (Mg, Fe, Al)(Si, Al)SiO 3-x CaSiO 3 Magnesiowustite (Mg, Fe)O Grenats (Mg, Fe, Ca) 3 Al 2 Si 3 O 12 Grenat (Mg, Fe, Ca) 3 (Al, Si) 2 Si 3 O 12

21 Assemblage HP MgO Zircone Pyrophyllite Four LaCrO 3 Alumine MgO dopé Cr Molybdène

22 Assemblage de déformation HP MgO Zircone Pyrophyllite Four LaCrO 3 Alumine MgO dopé Cr Molybdène

23 Temps PTPT Expérience de déformation n Conditions P, T

24 PTPT Temps Expérience de déformation n Pressurisation à froid

25 PTPT Contraintes différentielles Temps Expérience de déformation n Pressurisation à froid

26 PTPT Relaxation des contraintes Temps Expérience de déformation n Chauffage

27 PTPT Déformation plastique Temps Expérience de déformation Relaxation des contraintes n Chauffage

28 MgO Zircone LaCrO 3 Piston d'alumine MgO dopé Cr Echantillon de Ringwoodite (capsule Re) Piston d'alumine Alumine poreuse Thermocouple Expérience à 22 GPa 1 mm Assemblage de déformation HP

29 Domaines de pression accessibles

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

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

32 Déformation en cisaillement MgO Zirconia Pyrophyllite LaCrO 3 Alumina Cr-doped MgO Molybdenum (D'après Karato & Rubie (1997), simplifié !)

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

34 Démarche actuelle +=

35 +=

36 Quelques résultats Perovskite MgSiO GPa Ringwoodite Mg 2 SiO GPa Stishovite - 14 GPa Ilmenite MgSiO GPa Wadsleyite Mg 2 SiO GPa

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

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

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

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

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

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

43 DIA - Coupe

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

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

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

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

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

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

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

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

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

53 n Cuivre (cfc) n m 3 n Traction selon [100] n = 0,1 % Simulation numérique: Dynamique des dislocations Crédit: LEM - CNRS/ONERA (http://zig.onera.fr/lem/DisGallery/bdevincre/boite_film.gif)

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

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

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

57 Esquisse d'une nouvelle approche ExpérimenterMesurerModéliser


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