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

Déformation et Rhéologie

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Déformation et Rhéologie. Patrick Cordier Laboratoire de Structure et Propriétés de l'Etat Solide - ESA 8008 Université de Lille I. Rhéologie. Rhéologie des magmas Viscosité du noyau Dissolution - cristallisation Plasticité - Déformation à l'état solide de matériaux cristallins - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 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

Page 2: Déformation et Rhéologie

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

Page 3: Déformation et Rhéologie

Au menu:Au menu:

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 4: Déformation et Rhéologie

Sciences des Matériaux

Métallurgie Physique

Sciences de la Terre

Page 5: Déformation et Rhéologie

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 6: Déformation et Rhéologie

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

Page 7: Déformation et Rhéologie

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

Page 8: Déformation et Rhéologie

De la dislocation à la tectonique...

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

Un essoufflement ?Un essoufflement ?

Page 9: Déformation et Rhéologie

De la dislocation à la mécanique...

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

Un essoufflement ?Un essoufflement ?

Page 10: Déformation et Rhéologie

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

Page 11: Déformation et Rhéologie

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 12: Déformation et Rhéologie

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

LaboratoireNature

Vitesses de déformation

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

Page 13: Déformation et Rhéologie

10-1 s-110-1010-15

Transfert d'échelle: le temps

Compréhension des mécanismesCompréhension des mécanismes Etudes microstructuralesEtudes microstructurales

LaboratoireNature

10-5

Page 14: Déformation et Rhéologie

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)

Page 15: Déformation et Rhéologie

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 16: Déformation et Rhéologie

Grandes déformations Sciences des matériaux:Sciences des matériaux:

LaminageLaminage TréfilageTréfilage

Approche de laboratoireApproche de laboratoireEqual Channel Angular ExtrusionEqual Channel Angular Extrusion

Page 17: Déformation et Rhéologie

Grandes déformations

Analyse des texturesAnalyse des textures EBSDEBSD SynchrotronSynchrotron

Modélisation Modélisation (Montpellier)(Montpellier)

Minéralogie:Minéralogie: TorsionTorsion

Page 18: Déformation et Rhéologie

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 19: Déformation et Rhéologie

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)

Page 20: Déformation et Rhéologie

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

Page 21: Déformation et Rhéologie

Assemblage HP

MgO

Zircone

Pyrophyllite

Four LaCrO3

Alumine

MgO dopé Cr

Molybdène

Page 22: Déformation et Rhéologie

Assemblage de déformation HP

MgO

Zircone

Pyrophyllite

Four LaCrO3

Alumine

MgO dopé Cr

Molybdène

Page 23: Déformation et Rhéologie

Temps

P

T

Expérience de déformation

Conditions P, TConditions P, T

Page 24: Déformation et Rhéologie

PT

Temps

Expérience de déformation

Pressurisation à froidPressurisation à froid

Page 25: Déformation et Rhéologie

PT

Contraintes différentielles

Temps

Expérience de déformation

Pressurisation à froidPressurisation à froid

Page 26: Déformation et Rhéologie

PT

Relaxation des contraintes

Temps

Expérience de déformation

ChauffageChauffage

Page 27: Déformation et Rhéologie

PT

Déformation plastiqueTemps

Expérience de déformation

Relaxation des contraintes

ChauffageChauffage

Page 28: Déformation et Rhéologie

MgO

Zircone

LaCrO3

Piston d'alumine

MgO dopé Cr

QuickTime™ and aPhoto - JPEG decompressor

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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

Page 29: Déformation et Rhéologie

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

Page 30: Déformation et Rhéologie

Des expériences complexes

Histoire thermo-mécaniqueHistoire thermo-mécaniqueC

ontra

inte

Temps

CompressionA froid Chauffage

Déformation

Restauration

Déformation ?

Page 31: Déformation et Rhéologie

Des expériences complexes

Histoire thermo-mécaniqueHistoire thermo-mécaniqueC

ontra

inte

Temps

CompressionA froid Chauffage

Déformation

Restauration

Déformation

Page 32: Déformation et Rhéologie

Déformation en cisaillement

MgO

Zirconia

Pyrophyllite

LaCrO3

Alumina

Cr-doped MgO

Molybdenum

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

Page 33: Déformation et Rhéologie

Déformation en cisaillement

Piston d'alumine

Echantillon(Bi-couche olivine / wadsleyite)

Piston d'alumine

500 nm

Expérience à 14 GPa

Page 34: Déformation et Rhéologie

Démarche actuelle

+ =

Page 35: Déformation et Rhéologie

Démarche actuelle

+ =

Page 36: Déformation et Rhéologie

Quelques résultats

Perovskite MgSiO3 - 26 GPa

Ringwoodite Mg2SiO4 - 22 GPa Stishovite - 14 GPa

Ilmenite MgSiO3 - 22 GPa

Wadsleyite Mg2SiO4 - 17 GPa

Page 37: Déformation et Rhéologie

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 38: Déformation et Rhéologie

De vraies machines de déformation !

DIA D-DIA

BGI (Frost) LLNL (Durham)

Page 39: Déformation et Rhéologie

De vraies machines de déformation !

Yale (Karato)

RotationalDrickamerApparatus

Page 40: Déformation et Rhéologie

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 41: Déformation et Rhéologie

Couplage HP / RX synchrotron

Rayonnementsynhrotron

Photo anneau

D. Weidner

Page 42: Déformation et Rhéologie

Couplage HP / RX synchrotron

Laisser passer le faisceau

10 GPa2000 K

20 GPa2000 K

Page 43: Déformation et Rhéologie

DIA - Coupe

Page 44: Déformation et Rhéologie

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)

Page 45: Déformation et Rhéologie

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

Page 46: Déformation et Rhéologie

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 47: Déformation et Rhéologie

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)

Page 48: Déformation et Rhéologie

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)

Page 49: Déformation et Rhéologie

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.)

Page 50: Déformation et Rhéologie

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

Page 51: Déformation et Rhéologie

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

Page 52: Déformation et Rhéologie

Modéliser la déformation Modéliser la déformation plastiqueplastique

Mo sous pression

Conditions initiales

Essai de déformation(compression)

Crédit: LLNL

Simulation numérique:Dynamique des dislocations

Page 53: Déformation et Rhéologie

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)

Page 54: Déformation et Rhéologie

……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)

Page 55: Déformation et Rhéologie

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

Page 56: Déformation et Rhéologie

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouruHier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivationsAujourd'hui: de nouvelles motivations

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

Page 57: Déformation et Rhéologie

Esquisse d'une nouvelle approche

Expérimenter Mesurer

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Modéliser