Multiscale study of ductile deformation mechanisms of synthetic polycrystalline sodium chloride.
Étude multi-échelle des mécanismes de déformation ductile de polycristaux synthétiques de chlorure de sodium.
Résumé
There is a renewed interest in the study of the rheology of halite since salt cavities are considered for waste repositories or energy storage. This research benefits from the development of observation techniques at the micro-scale which allow precise characterizations of microstructures, deformation mechanisms and strain fields. A procedure to make synthetic halite samples of different grains sizes has been devised. Macroscopic tests have been made to compare the behavior of synthetic samples with the one of natural salt. Uniaxial compression tests have been performed with a conventional press and with a specific rig fitted inside a scanning electron microscope. Digital images of the surface of the sample have been recorded at several loading stages. Surface markers allow the measure of displacements by means of Digital Image Correlation (DIC) techniques. Global and local strain fields are then computed using DIC and ad hoc data processing. Analysis of these results provides a measure of heterogeneity at various scales, an estimate of the size of the representative volume element and most importantly an identification of the deformation mechanisms, namely crystal slip plasticity (CSP) and grain boundary sliding (GBS) which are shown to be in a complex local interaction. The applied macroscopic loadings give rise locally to complex stress states owing to relative crystallographic orientations, density and orientation of interfaces, local deformation history. We have quantitatively estimated the relative importance of CSP and GBS for different microstructures and evidenced a marked grain size effect. We have also done some finite element simulations based on crystal plasticity which are in good agreement with the experimental results in terms of identification of active slip systems. Finally some 3D experimental developments using Xray tomography and preliminary results are shown.
Il existe un renouveau d'intérêt pour la rhéologie du sel gemme car les cavités salines sont des sites intéressants pour l'enfouissement de déchet ou le stockage d'énergie. Ces nouvelles recherches bénéficient du développement des techniques d'observation à petite échelle qui permettent une caractérisation précise des microstructures, des mécanismes de déformation et des champs de déformation. Une procédure pour fabriquer des échantillons de sel synthétiques ayant différentes tailles de grains, a été mise au point. Des essais macroscopiques ont été réalisés pour comparer le comportement du matériau synthétique et naturel. Des tests de compressions uniaxiale ont été réalisés sur des presses classiques et avec une machine spécifique installée dans un microscope électronique à balayage. Les images numériques de la surface de l'échantillon ont été enregistrées à différentes étapes de chargement. Des marqueurs ont permis de mesurer les déplacements grâce à la corrélation d'images numériques. Les champs de déformation globaux et locaux ont ainsi été calculés. L'analyse de ces résultats donne une mesure de l'hétérogénéité à différentes échelles, une estimation de la taille de l'élément de volume représentatif et enfin une identification des mécanismes de déformation, c'est à dire, la plasticité intracristalline et le glissement aux interfaces que l'on constate être en interactions locales complexes. Les chargements macroscopiques donnent lieu à des champs de contraintes locaux complexes du fait de l'orientation cristalline, la densité et l'orientation des interfaces et l'histoire locale de la déformation. Nous avons donné une estimation quantitative de l'importance relative de ces deux mécanismes pour plusieurs microstructures et mis en évidence un un effet marqué de la taille de grains. Nous avons aussi réalisé des simulations par éléments finis basées sur la plasticité cristalline et trouvé un bon accord avec les résultats expérimentaux pour l'identification des systèmes de glissement. Enfin, des développements expérimentaux 3D utilisant la tomographie aux rayons X sont montrés avec des résultats préliminaires.