D

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

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• 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

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• De vraies machines de déformation
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• Esquisse d'une nouvelle démarche

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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

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Vitesses de déformation
10-1 s-1
10-5
10-10
10-15
Laboratoire
Nature

• Extrapoler ? à mécanisme constant !

13
Transfert d'échelle le temps
10-1 s-1
10-5
10-10
10-15
Laboratoire
Nature

• Compréhension des mécanismes
• Etudes microstructurales

14
Vitesses de déformation
10-1 s-1
10-5
10-10
10-15
Laboratoire
Nature

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

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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)

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19
Expériences de déformation
Depth
P, T
3 GPa 1100C
100 km
Manteau supérieur
13 GPa 1400C
410 km
Zone de transition
520 km
23 GPa 1600C
670 km
Manteau inférieur
135 GPa 3500C
2900 km
20
Expériences de hautes pressions
Depth
P, T
3 GPa 1100C
100 km
Manteau supérieur
13 GPa 1400C
410 km
Zone de transition
520 km
23 GPa 1600C
670 km
Manteau inférieur
135 GPa 3500C
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
30
Des expériences complexes

• Histoire thermo-mécanique

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 !)
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 Mg2SiO4 - 17 GPa
Ilmenite MgSiO3 - 22 GPa
Ringwoodite Mg2SiO4 - 22 GPa
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38
De vraies machines de déformation !
DIA
D-DIA
BGI (Frost) LLNL (Durham)
39
De vraies machines de déformation !
Rotational Drickamer Apparatus
Yale (Karato)
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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

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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
• (1012 -1013 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 numériqueDynamique des dislocations

• Segments de dislocations

• Mécanismes
• microscopiques

• Lois de vitesse

Crédit LEM - CNRS/ONERA
51
Simulation numériqueDynamique 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 numériqueDynamique des dislocations

• Modéliser la déformation plastique

Conditions initiales
Essai de déformation (compression)
Mo sous pression
Crédit LLNL
53
Simulation numériqueDynamique 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 numériqueDynamique 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

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