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Déformation et Rhéologie

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

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Déformation et Rhéologie

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Presentation Transcript

  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

  3. 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. 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

  6. 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

  11. 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

  12. Vitesses de déformation • Extrapoler …? à mécanisme constant ! 10-5 10-1 s-1 10-15 10-10 Nature Laboratoire

  13. Transfert d'échelle: le temps • Compréhension des mécanismes • Etudes microstructurales 10-5 10-1 s-1 10-15 10-10 Nature Laboratoire

  14. Vitesses de déformation • Expériences de fluage à très faibles vitesses de déformation (Toulouse) 10-5 10-1 s-1 10-15 10-10 Nature Laboratoire

  15. 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

  16. Grandes déformations • Sciences des matériaux: • Laminage • Tréfilage • Approche de laboratoire Equal Channel Angular Extrusion

  17. Analyse des textures EBSD Synchrotron Modélisation (Montpellier) Minéralogie: Torsion Grandes déformations

  18. 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

  19. "Paterson" Confinement gazeux (0.7 GPa) Pyroxenes (Mg, Fe)SiO3 (Ca, Mg, Fe)2Si2O6 Olivine (Mg, Fe)2SiO4 Grenats (Mg, Fe, Ca)3 Al2Si3O12 "Griggs" Confinement solide (4 GPa) Magnesiowustite (Mg, Fe)O Expériences de déformation Depth P, T 3 GPa 1100°C 100 km Manteau supérieur 13 GPa 1400°C 410 km Zone de transition 520 km 23 GPa 1600°C 670 km Manteau inférieur 135 GPa 3500°C 2900 km

  20. Pyroxenes (Mg, Fe)SiO3 (Ca, Mg, Fe)2Si2O6 Olivine (Mg, Fe)2SiO4 Grenats (Mg, Fe, Ca)3 Al2Si3O12 Presse Multi-enclumes Wadsleyite (Mg, Fe)2SiO4 Grenat (Mg, Fe, Ca)3(Al, Si)2Si3O12 Ringwoodite (Mg, Fe)2SiO4 Magnesiowustite (Mg, Fe)O Perovskite (Mg, Fe, Al)(Si, Al)SiO3-x CaSiO3 Cellule à enclumes De diamants Expériences de hautes pressions Depth P, T 3 GPa 1100°C 100 km Manteau supérieur 13 GPa 1400°C 410 km Zone de transition 520 km 23 GPa 1600°C 670 km Manteau inférieur 135 GPa 3500°C 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. 10/4 ou 7/3 1 (Ringwoodite) (Perovskite) 10/5 3 (Wadsleyite) (Majorite) 14/8 5-8 (Stishovite) 18/11 12 (Garnet) 3 Taille de l'octaèdre / longueur de la troncature (mm) V (mm ) 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) Domaines de pression accessibles

  30. Déformation Déformation ? Compression A froid Chauffage Restauration 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. MgO Zirconia Pyrophyllite LaCrO3 Alumina Cr-doped MgO 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. Stishovite - 14 GPa Quelques résultats Perovskite MgSiO3 - 26 GPa Wadsleyite Mg2SiO4 - 17 GPa Ilmenite MgSiO3 - 22 GPa Ringwoodite Mg2SiO4 - 22 GPa

  37. 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

  38. De vraies machines de déformation ! DIA D-DIA BGI (Frost) LLNL (Durham)

  39. De vraies machines de déformation ! Rotational Drickamer Apparatus Yale (Karato)

  40. 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

  41. 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. 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

  47. Déformation plastique • Du défaut cristallin au grain déformé: Une microstructure au travail ! Dislocations dans la wadsleyite Cliché MET (E. Thurel)

  48. Problème à N corps (1012 -1013 m-2) Interaction élastique à longue portée   1/r Une microstructure au travail: Dislocations dans la wadsleyite Cliché MET (E. Thurel)

  49. Approche atomistique Emission de dislocations en tête de fissure 100 millions d'atomes Simulation numérique Farid Abraham, IBM Research Division, Almaden Research Center (P.I.)

  50. Segments de dislocations • Interaction élastique Simulation numérique:Dynamique des dislocations • Mécanismes microscopiques • Lois de vitesse Crédit: LEM - CNRS/ONERA

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