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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:
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
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
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Expériences de déformationExpériences de déformationM
ante
au
sup
érie
ur
Man
teau
infé
rieu
rZon
e d
e tr
ansi
tion
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 pressionsExpériences de hautes pressionsM
ante
au
sup
érie
ur
Man
teau
infé
rieu
rZon
e d
e tr
ansi
tion Presse
Multi-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 HPAssemblage HP
MgO
Zircone
Pyrophyllite
Four LaCrO3
Alumine
MgO dopé Cr
Molybdène
Assemblage de déformation HPAssemblage de déformation HP
MgO
Zircone
Pyrophyllite
Four LaCrO3
Alumine
MgO dopé Cr
Molybdène
Temps
P
T
Expérience de déformationExpérience de déformation
Conditions P, TConditions P, T
PT
Temps
Expérience de déformationExpérience de déformation
Pressurisation à froidPressurisation à froid
PT
Contraintes différentielles
Temps
Expérience de déformationExpérience de déformation
Pressurisation à froidPressurisation à froid
PT
Relaxation des contraintes
Temps
Expérience de déformationExpérience de déformation
ChauffageChauffage
PT
Déformation plastiqueTemps
Expérience de déformationExpérience 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 HPAssemblage 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 accessiblesDomaines de pression accessibles
Des expériences complexes
Histoire thermo-mécaniqueHistoire thermo-mécaniqueC
ontr
aint
e
Temps
CompressionA froid
Chauffage
Déformation
Restauration
Déformation ?
Des expériences complexes
Histoire thermo-mécaniqueHistoire thermo-mécaniqueC
ontr
aint
e
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
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
De vraies machines de déformation !
DIA D-DIA
BGI (Frost) LLNL (Durham)
De vraies machines de déformation !
Yale (Karato)
RotationalDrickamerApparatus
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
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Couplage HP / RX synchrotronCouplage HP / RX synchrotron
Rayonnementsynhrotron
Photo anneau
D. Weidner
Couplage HP / RX synchrotronCouplage HP / RX synchrotron
Laisser passer le faisceau
10 GPa2000 K
20 GPa2000 K
DIA - CoupeDIA - 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
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
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
MécanismesMécanismes
microscopiquesmicroscopiques
Lois de vitesseLois de vitesse
Modéliser les phénomènes élémentaires de Modéliser les phénomènes élémentaires de plasticitéplasticité
Source de Frank etSource de Frank et
ReadReadQuickTime™ and aGIF decompressor
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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
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
Esquisse d'une nouvelle approche
Expérimenter Mesurer
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Modéliser
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