Déformation et Rhéologie

Déformation et Rhéologie

Patrick CordierPatrick CordierLaboratoire de Structure et Propriétés de l'Etat Solide - ESA 8008Laboratoire de Structure et Propriétés de l'Etat Solide - ESA 8008

Université de Lille IUniversité de Lille I

Rhéologie Rhéologie des magmasRhéologie des magmas Viscosité du noyauViscosité du noyau Dissolution - cristallisationDissolution - cristallisation

Plasticité - Déformation à l'état solide de matériaux Plasticité - Déformation à l'état solide de matériaux cristallinscristallins Rôle des défauts cristallinsRôle des défauts cristallins

• Défauts ponctuelsDéfauts ponctuels• DislocationsDislocations

Au menu:Au menu:

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

Demain: de belles perspectives...Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformationDe vraies machines de déformation Mesurer enfin !Mesurer enfin ! Allons voir ailleursAllons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarcheEsquisse d'une nouvelle démarche

Sciences des Matériaux

Métallurgie Physique

Sciences de la Terre

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

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Plasticité des minéraux: hier...

Revue de Evans et Dresen Revue de Evans et Dresen (Rev. Geophys. 1991)(Rev. Geophys. 1991)

Olivine Olivine (loi de fluage et défauts ponctuels)(loi de fluage et défauts ponctuels) Quartz Quartz (adoucissement hydrolytique)(adoucissement hydrolytique) Recristallisation et texturesRecristallisation et textures Matériaux biphasésMatériaux biphasés Application de la mécanique de la ruptureApplication de la mécanique de la rupture FrictionFriction

Quel bilan ?

Transferts des concepts de la métallurgie Transferts des concepts de la métallurgie physique physique

Développements expérimentauxDéveloppements expérimentaux Des cas pathologiques (Quartz)Des cas pathologiques (Quartz) Importance des fluidesImportance des fluides Importance de la fusion partielleImportance de la fusion partielle De la difficulté d'obtenir et d'extrapoler des lois De la difficulté d'obtenir et d'extrapoler des lois

rhéologiquesrhéologiques

De la dislocation à la tectonique...

……la route est longue……la route est longue……

Un essoufflement ?Un essoufflement ?

De la dislocation à la mécanique...

……la route est longue……la route est longue……

Un essoufflement ?Un essoufflement ?

Des défis, encore des défis...

Transferts d'échellesTransferts d'échelles Dans le temps et dans l'espace...Dans le temps et dans l'espace...

Conditions extrêmesConditions extrêmes PressionPression Grandes déformationsGrandes déformations Vitesses de déformationVitesses de déformation

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

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10-1 s-110-510-1010-15

LaboratoireNature

Vitesses de déformation

Extrapoler …?Extrapoler …? à mécanisme constant !à mécanisme constant !

10-1 s-110-1010-15

Transfert d'échelle: le temps

Compréhension des mécanismesCompréhension des mécanismes Etudes microstructuralesEtudes microstructurales

LaboratoireNature

10-5

10-1 s-110-510-1010-15

LaboratoireNature

Vitesses de déformation

Expériences de fluage à très faibles vitesses Expériences de fluage à très faibles vitesses de déformation (Toulouse)de déformation (Toulouse)

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

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Grandes déformations Sciences des matériaux:Sciences des matériaux:

LaminageLaminage TréfilageTréfilage

Approche de laboratoireApproche de laboratoireEqual Channel Angular ExtrusionEqual Channel Angular Extrusion

Grandes déformations

Analyse des texturesAnalyse des textures EBSDEBSD SynchrotronSynchrotron

Modélisation Modélisation (Montpellier)(Montpellier)

Minéralogie:Minéralogie: TorsionTorsion

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

Demain: de belles perspectives...Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformationDe vraies machines de déformation Mesurer enfin !Mesurer enfin ! Allons voir ailleursAllons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarcheEsquisse d'une nouvelle démarche

Expériences de déformationM

ante

au

supé

rieu

r

Man

teau

infé

rieu

rZon

e de

tran

sitio

n

3 GPa1100°C

13 GPa1400°C

23 GPa1600°C

135 GPa3500°C

Depth

100 km

410 km

520 km

670 km

2900 km

P, T

"Griggs"Confinement solide

(4 GPa)

Olivine(Mg, Fe)2SiO4

Pyroxenes(Mg, Fe)SiO3

(Ca, Mg, Fe)2Si2O6

Grenats(Mg, Fe, Ca)3

Al2Si3O12

Magnesiowustite(Mg, Fe)O

"Paterson"Confinement gazeux

(0.7 GPa)

Cellule à enclumesDe diamants

Expériences de hautes pressionsM

ante

au

supé

rieu

r

Man

teau

infé

rieu

rZon

e de

tran

sitio

n PresseMulti-enclumes

3 GPa1100°C

13 GPa1400°C

23 GPa1600°C

135 GPa3500°C

Depth

100 km

410 km

520 km

670 km

2900 km

P, T

Olivine(Mg, Fe)2SiO4

Wadsleyite(Mg, Fe)2SiO4

Ringwoodite(Mg, Fe)2SiO4

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

Assemblage HP

MgO

Zircone

Pyrophyllite

Four LaCrO3

Alumine

MgO dopé Cr

Molybdène

Assemblage de déformation HP

MgO

Zircone

Pyrophyllite

Four LaCrO3

Alumine

MgO dopé Cr

Molybdène

Temps

P

T

Expérience de déformation

Conditions P, TConditions P, T

PT

Temps

Expérience de déformation

Pressurisation à froidPressurisation à froid

PT

Contraintes différentielles

Temps

Expérience de déformation

Pressurisation à froidPressurisation à froid

PT

Relaxation des contraintes

Temps

Expérience de déformation

ChauffageChauffage

PT

Déformation plastiqueTemps

Expérience de déformation

Relaxation des contraintes

ChauffageChauffage

MgO

Zircone

LaCrO3

Piston d'alumine

MgO dopé Cr

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Echantillon de Ringwoodite (capsule Re)

Piston d'alumine

Alumine poreuse

Thermocouple

Expérience à 22 GPa

1 mm

Assemblage de déformation HP

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

12

5-8

3

1

V (mm )3

(Garnet)

(Stishovite)

(Majorite)

Taille de l'octaèdre / longueur de la troncature (mm)

(Ringwoodite)

(Wadsleyite)

(Perovskite)

Domaines de pression accessibles

Des expériences complexes

Histoire thermo-mécaniqueHistoire thermo-mécaniqueC

ontra

inte

Temps

CompressionA froid Chauffage

Déformation

Restauration

Déformation ?

Des expériences complexes

Histoire thermo-mécaniqueHistoire thermo-mécaniqueC

ontra

inte

Temps

CompressionA froid Chauffage

Déformation

Restauration

Déformation

Déformation en cisaillement

MgO

Zirconia

Pyrophyllite

LaCrO3

Alumina

Cr-doped MgO

Molybdenum

(D'après Karato & Rubie (1997), simplifié !)

Déformation en cisaillement

Piston d'alumine

Echantillon(Bi-couche olivine / wadsleyite)

Piston d'alumine

500 nm

Expérience à 14 GPa

Démarche actuelle

+ =

Démarche actuelle

+ =

Quelques résultats

Perovskite MgSiO3 - 26 GPa

Ringwoodite Mg2SiO4 - 22 GPa Stishovite - 14 GPa

Ilmenite MgSiO3 - 22 GPa

Wadsleyite Mg2SiO4 - 17 GPa

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

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De vraies machines de déformation !

DIA D-DIA

BGI (Frost) LLNL (Durham)

De vraies machines de déformation !

Yale (Karato)

RotationalDrickamerApparatus

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

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Couplage HP / RX synchrotron

Rayonnementsynhrotron

Photo anneau

D. Weidner

Couplage HP / RX synchrotron

Laisser passer le faisceau

10 GPa2000 K

20 GPa2000 K

DIA - Coupe

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)

Mesurer enfin ! Les contraintes

Elargissement et Elargissement et déplacement des pics déplacement des pics de Braggde Bragg

Mesure de l'ellipticité Mesure de l'ellipticité des anneaux de Debyedes anneaux de Debye

Résolution ~ kbarRésolution ~ kbar

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

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Déformation plastique

Du défaut cristallin au grain déformé:Du défaut cristallin au grain déformé:Une microstructure au travail !Une microstructure au travail !

Dislocations dans la wadsleyite

Cliché MET (E. Thurel)

Une microstructure au travail:

Problème à N corpsProblème à N corps(10(101212 -10 -101313 m m-2-2))

Interaction élastique à Interaction élastique à longue portéelongue portée 1/r1/r

Dislocations dans la wadsleyiteCliché MET (E. Thurel)

Simulation numérique

Approche atomistiqueApproche atomistique

Emission de Emission de dislocations en tête de dislocations en tête de fissurefissure

100 millions d'atomes100 millions d'atomes

Farid Abraham, IBM Research Division, Almaden Research Center (P.I.)

Simulation numérique:Dynamique des dislocations

Segments de dislocationsSegments de dislocations

Crédit: LEM - CNRS/ONERA

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Interaction élastiqueInteraction élastique

MécanismesMécanismesmicroscopiquesmicroscopiques

Lois de vitesseLois de vitesse

Modéliser les phénomènes élémentaires de Modéliser les phénomènes élémentaires de plasticitéplasticité

Source de Frank etSource de Frank etReadRead

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Crédit: LEM - CNRS/ONERA (http://zig.onera.fr/lem/DisGallery/bdevincre/boite_film.gif)

Simulation numérique:Dynamique des dislocations

Modéliser la déformation Modéliser la déformation plastiqueplastique

Mo sous pression

Conditions initiales

Essai de déformation(compression)

Crédit: LLNL

Simulation numérique:Dynamique des dislocations

Cuivre (cfc)Cuivre (cfc)

1515151515 15 mm33

Traction selon [100]Traction selon [100]

= 0,1 %= 0,1 %

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Simulation numérique:Dynamique des dislocations

Crédit: LEM - CNRS/ONERA (http://zig.onera.fr/lem/DisGallery/bdevincre/boite_film.gif)

……pour obtenir les lois rhéologiquespour obtenir les lois rhéologiques

Faire travailler les dislocations...

Simulation numérique:Dynamique des dislocations

Ta (cc)Ta (cc)(Tang et al. 1996)(Tang et al. 1996)

Du monocristal au polycristal

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Crédit: S. Forest (Mines Paris)

Dynamique des dislocations

Volume élémentaireReprésentatif du

polycristal

Champ de déformationPlastique équivalente

En traction

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Déformations lentesDéformations lentes Grandes déformationsGrandes déformations Déformation sous hautes pressionsDéformation sous hautes pressions

Demain: de belles perspectives...Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformationDe vraies machines de déformation Mesurer enfin !Mesurer enfin ! Allons voir ailleursAllons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarcheEsquisse d'une nouvelle démarche

Esquisse d'une nouvelle approche

Expérimenter Mesurer

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Modéliser