Densité de dislocations en fonction de l’amplitude de déformation

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Réalité augmentée

La réalité augmentée permet l’incrustation d’éléments virtuels dans une séquence d’images issues d’une caméra réelle. Grâce à cette technologie, il est possible de visualiser en temps réel un objet 3D intégré de manière fidèle à l’environnement, ou encore des indications sous la forme de graphiques (flèches, icônes…) ou de textes. Cette technologie a de nombreuses applica-tions, pour lesquelles deux principales catégories se distinguent. La première concerne les applications qui apportent une information sur l’environnement visualisé, où il est nécessaire de reconnaître des modèles 3D dans les images 2D afin d’y apposer les informations souhaitées. Plusieurs usages sont actuellement mis en place ou envisagés pour la médecine, la mé-canique, l’automobile, l’archéologie ou encore le tourisme historique.
2 Chapitre 1. Introduction
Pour illustrer cette catégorie d’applications mentionnons les travaux de M.Tamaazousti au CEA LIST. La figure 1.1 issue de [Tamaazousti 2013] concerne l’assistance à la conception de cuisine : la cuisine originale (à gauche) est localisée en ligne de manière précise, pour modifier de manière virtuelle les couleurs de la crédence ou du mobilier (à droite).
Figure 1.1 – Exemple d’applications de la Réalité Augmentée nécessitant de loca-liser des objets en temps réel, ici des meubles de cuisine.
La seconde catégorie relève des applications de pure visualisation, où l’en-vironnement est a priori inconnu. Pour savoir où rajouter en ligne des informa-tions sur les images, soit un marqueur est positionner dans la scène réelle, soit l’usager pointe où l’ajout doit être fait et une analyse au moins partielle de la scène doit être faite pour que l’image augmentée soit réaliste (par exemple, l’objet doit être sur le sol, ni en dessus, ni au dessous !). Donc en ce cas, la reconstruction de l’environnement sert à positionner l’objet virtuel et à le lo-caliser dans la scène. Ces applications sont aujourd’hui très utilisées dans le domaine du divertissement, de l’essayage virtuel ou du marketing.
Figure 1.2 – Exemple d’applications de la Réalité Augmentée sur des appareils mobiles, nécessitant une analyse de la scène : aménagement d’intérieur (gauche) et divertissement (droite).
Cette thèse est eﬀectuée en partenariat entre l’entreprise Innersense et le LAAS-CNRS. Le LAAS (Laboratoire d’Architecture et d’Analyse des Sys-tèmes) est un institut de recherche du CNRS dont les thématiques sont cen-trées autour de 4 principaux domaines ; informatique, robotique, automatique
Contexte 3
et micro-nano technologies. Innersense est une société, créée en 2014, qui propose des solutions et des applications consacrées à l’essayage virtuel ou à la configuration 3D de meubles sur tablette et sur téléphone portable. Le savoir faire d’Innersense développé au cours des années leur a permis de créer des partenariats avec les principaux acteurs de l’ameublement français, et de s’étendre désormais aux États-Unis et en Italie. Contrairement aux applications de divertissement, l’essayage virtuel d’un objet (meuble, rideaux, bibelot…) dans un environne-ment réel, éventuellement déjà occupé par des meubles existants, demande une intégration de l’objet virtuel à l’échelle et suﬃsamment d’espace dans la scène capturée afin de le disposer de manière physiquement cohérente.
Pour être respectée, la première condition nécessite la localisation de la caméra dans la scène à une échelle métrique ainsi qu’une reconstruction par-tielle de l’environnement. Ces problèmes de cartographie et de localisation simultanées peuvent être résolus de diﬀérentes manières qui seront abordées par la suite.
La seconde condition requiert généralement de modifier virtuellement la pièce, voire de la vider. En ce cas, il est donc nécessaire de ne reconstruire que la structure de la pièce et d’ignorer alors les objets réels en les eﬀaçant dans l’image. Le procédé d’eﬀacement d’un objet dans une séquence d’images est dénommé « réalité diminuée ».
Dans ce présent travail, nous appellerons « réalité altérée » l’action d’eﬀacer un objet réel pour ensuite incruster un objet virtuel, ce qui correspond à une combinaison des méthodes de réalité diminuée et de réalité augmentée.
Ces technologies font l’objet d’une vive demande dans le milieu de l’aména-gement intérieur. Elles font cependant appel à des algorithmes qui nécessitent une capacité de calcul non négligeable. Si elles restent relativement accessibles pour des ordinateurs de bureau, leur adaptation sur des plateformes mobiles telles que téléphones portables ou tablettes est en revanche plus complexe. L’augmentation rapide de la puissance de calcul sur ces plateformes a permis l’arrivée récente d’applications utilisant la réalité augmentée. En revanche, les algorithmes de réalité diminuée ou altérée sont plus coûteux et les applica-tions ne sont pas encore suﬃsamment matures pour être exploitables par un utilisateur lambda.

Matériel visé et caméra à obturateur déroulant

La réalité augmentée sur tablettes et téléphones portables suppose l’utili-sation des capteurs bas-coût intégrés sur ces appareils. Ces appareils possèdent généralement une centrale inertielle (avec accéléromètres, gyromètres et ma-gnétomètres) et une ou plusieurs caméras bas-coût. La distinction entre une centrale inertielle bas-coût et une centrale inertielle haut-de-gamme est géné-ralement caractérisée par une simple diﬀérence de précision, les centrales haut-
Figure 1.3 – Illustration d’une méthode de réalité diminuée sur un jeu de données synthétiques où l’information 3D est connue a priori. A gauche l’image initiale, à droite l’image après eﬀacement des meubles.
de-gamme produisant des données moins bruitées, à plus haute fréquence, et dérivant moins vite dans le temps.
Figure 1.4 – Exemple des distorsions induites par l’utilisation d’une caméra à obturateur déroulant. L’exposition non simultanée des lignes de l’image entraîne une déformation des objets en mouvement, comme la baguette du batteur (droite) ou bien l’hélice de l’avion (gauche).
En revanche, les caméras bas-coût qui équipent les tablettes et les télé-phones portables présentent une conception diﬀérente des caméras commu-nément utilisées par des applications usuelles (vidéo-surveillance, contrôle de qualité, reconnaissance d’objets…) et nécessitent une modélisation adaptée. En eﬀet, ces caméras possèdent un obturateur déroulant (abrégé OD) contrai-rement aux caméras à obturateur global (abrégé OG). Les lignes de l’image sont alors acquises à des instants diﬀérents (voir fig. 1.5). L’obturateur de ces
Contexte 5
caméras expose séquentiellement les lignes de l’image (obturateur déroulant), alors que les obturateurs globaux exposent la totalité de l’image durant une même période. Ce principe est similaire à celui des appareils photos équipés d’un obturateur à rideaux. Ces appareils utilisent deux rideaux, l’un décou-vrant le capteur, et l’autre le recouvrant, afin que chaque ligne de l’image soit exposée pendant une même durée. L’ouverture entre ces deux rideaux per-met de contrôler la durée d’exposition de chaque ligne, ce qui rend possible l’obtention de temps de pose très courts pour une faible ouverture.
Nous présentons ici la bibliographie concernant les alliages TiAl en général et l’alliage IRIS en particulier, leur comportement mécanique notamment à hautes températures, pour différentes sollicitations (traction, fatigue, fluage), ainsi que les mécanismes microscopiques de plasticité associés. Ce chapitre servira ainsi de base pour l’interprétation des résultats présentés dans les chapitres ultérieurs.

Alliages TiAl

Les alliages TiAl sont des intermétalliques, dont la structure cristallographique est ordonnée à longue distance. Les liaisons interatomiques ne sont pas uniquement métalliques, mais également covalentes, ce qui leur procure une forte résistance mais aussi une certaine fragilité. La principale caractéristiques de ces alliages est de combiner une faible masse volumique (≈ 4 g/cm3), de l’ordre de la moitié de celle des superalliages (≈ 8 g/cm3), avec une grande résistance mécanique à haute température, et une bonne résistance à l’oxydation, comme montré dans le tableau 1 ci-dessous [3]. Ces propriétés confèrent à ce matériau un fort potentiel dans des applications industrielles à hautes température, en aéronautique et en automobile notamment. Par exemple, depuis 2006, le moteur GenX de General Electrics intègre des aubes de turbines en alliage TiAl dans les zones basse pression des turbines (6e et 7e étages). Plus récemment, la SNECMA a intégré ces alliages dans le moteur LeapX, qui équipe notamment les Airbus A380.
Cependant, la tendance actuelle est d’aller vers une élévation des températures d’utilisation des alliages TiAl (jusqu’à ≈ 800°C), ce qui motive des recherches sur le comportement de ces matériaux dans ce domaine de température. Notre travail s’inscrit donc dans ce cadre.

Table des matières

Introduction
Chapitre I Bibliographie
I. Introduction
II. Alliages TiAl
II.1. Généralités
II.2. Procédés d’élaboration
II.2.1. Fonderie
II.2.2. Déformation à chaud
II.2.3. Métallurgie des poudres
II.3. Composition chimique
II.4. Structure cristallographique
II.5. Diagramme d’équilibre et microstructures
II.6. Formation de la structure lamellaire
II.7. Comportement mécanique en traction et en fluage
II.7.1. Comportement en traction à température ambiante des alliages lamellaires
II.7.2. Comportement en fluage des alliages lamellaires
III. Mécanismes de déformation dans les alliages TiAl
III.1. Modes de déformation de la phase γ
III.1.1. Dislocations ordinaires à température ambiante
1) Systèmes de glissement
2) Morphologie des dislocations
3) Nature des points d’épinglage
III.1.2. Comportement des dislocations ordinaires à hautes températures
III.1.3. Déformation par maclage
III.1.4. Superdislocations
III.2. Modes de déformation de la phase 2
III.3. Mécanismes de déformation de la microstructure lamellaire
IV. L’alliage IRIS
IV.1. Développement de l’alliage
IV.2. Microstructure
IV.3. Propriétés mécaniques
IV.4. Mécanismes de déformation microscopiques
V. Généralités sur la fatigue oligocyclique
V.1. Concept de fatigue
V.2. Les différents domaines en fatigue
V.3. Fatigue oligocyclique
V.4. Sollicitation cyclique
V.5. Evolution cyclique de σa: courbe σa(N)
V.6. Estimation de la durée de vie
VI. Fatigue oligocyclique des alliages TiAl
VI.1. Comportement cyclique des alliages TiAl
VI.1.1. Influence de la microstructure à T fixée
VI.1.2. Influence de la température
VI.1.3. Influence de l’amplitude de déformation imposée
VI.2. Faciès de rupture en fatigue
VII. Mécanismes de déformation des alliages TiAl en fatigue oligocyclique
VII.1. Structures de dislocations caractéristiques de la fatigue dans les métaux
VII.2. Structure natte des alliages TiAl
VII.3. Structure veine
VII.4. Dégradation des zones lamellaires
VII.5. Mécanismes classiques dans les alliages TiAl
VII.6. Conclusion sur les mécanismes de déformation du TiAl en fatigue oligocyclique
VIII. Conclusions – Objectifs de l’étude
Chapitre II Techniques expérimentales
I. Introduction
II. Matériau de l’étude
II.1. Lot de poudre
II.2. Analyse chimiques par ICP-OES
II.3. Atomisation par Plasma Inert-Gas Atomization (PIGA)
III. Procédé d’élaboration : le SPS
III.1. Principe de fonctionnement
III.2. Mécanismes mis en jeu
III.3. Machines utilisées
III.3.1. Machine SPS de Toulouse : Syntex 2080
III.3.2. Machine SPS de Dijon : FCT HPD-125
III.4. Outillage utilisé
III.5. Cycle SPS d’une pastille Ø36h8mm
III.5.1. Mesure de la température de l’échantillon et cycle de chauffage
III.5.2. Cycle de pression
III.5.3. Evolution de la densité de l’échantillon
IV. Essais mécaniques
IV.1. Essais de traction et fluage
IV.2. Essais de fatigue
IV.2.1. Eprouvette de fatigue
IV.2.2. Machine utilisée
IV.2.3. Commande en température
IV.2.4. Installation de l’éprouvette
IV.2.5. Déroulement d’un essai de fatigue
IV.2.6. Courbes de fatigue
V. Microscopie
V.1. Microscopie Électronique à Balayage (MEB)
V.2. Microscopie Électronique en Transmission (MET)
Chapitre III Elaboration et caractérisation de l’alliage IRIS
I. Introduction
II. Caractérisation du lot 1261
II.1. Composition chimique et granulométrie
II.2. Evolution de la microstructure en fonction de la température (Ø36H8mm)
II.2.1. Microstructure biphasée (Tech = 1281°C)
II.2.2. Microstructure proche lamellaire et biphasée (Tech = 1308°C)
II.2.3. Microstructure proche lamellaire et duplex (Tech = 1334°)
II.2.4. Microstructure proche lamellaire (Tech = 1357°C)
II.2.5. Microstructure proche lamellaire (Tech = 1378°C)
II.2.6. Microstructure proche lamellaire (Tech = 1409°C)
II.3. Influence de l’homogénéité de la poudre sur l’homogénéité microstructurale
II.4. Caractérisation mécanique en traction à température ambiante
II.5. Synthèse des résultats sur la nuance A1261
III. Comparaison des nuances 1109 et A1261
IV. Elaboration par SPS d’échantillons de grandes dimensions
IV.1. Géométrie Ø100h15mm
IV.1.1. Evolution de la microstructure de l’alliage RNT650 en fonction de la température
1) Microstructure duplex+biphasée (Tpyrocons = 1325°C)
2) Microstructure lamellaire + biphasée (Tpyrocons = 1350°C)
3) Microstructure lamellaire + duplex (Tpyrocons = 1375°C)
IV.1.2. Calcul du gradient de température
IV.1.3. Elaboration Ø100h15mm d’une pastille de l’alliage IRIS A1261
IV.2. Géométrie Ø60H50mm
V. Conclusions
Chapitre IV Comportement mécanique à chaud
I. Introduction
II. Comportement en fatigue oligocyclique
II.1. Conditions expérimentales
II.2. Influence de l’amplitude de déformation imposée sur le comportement cyclique
II.3. Evolution de l’amplitude de contrainte en fonction du nombre de cycles
II.4. Courbes d’hystérésis
II.5. Estimation de la durée de vie
III. Influence de la température sur le comportement cyclique
III.1. Evolution de l’amplitude de contrainte en fonction du nombre de cycles..
III.2. Courbes d’hystérésis
IV. Courbes de traction monotone : analyse du 1er cycle
IV.1. Courbes de traction à 800°C..
IV.2. Courbes de traction à différentes températures
V. Propriétés en fatigue oligocyclique des autres alliages TiAl
VI. Analyse des faciès de rupture
VI.1. Zone d’amorçage
VI.1.1. Résultats sur IRIS
VI.1.2. Comparaison avec la littérature
VI.2. Modes de rupture
VI.3. Influence de Δεt/2 sur les modes de rupture
VI.4. Influence de la température sur les modes de rupture
VII. Synthèse et discussion
Chapitre V Mécanismes de déformation
I. Introduction et contexte de l’étude
II. Expériences d’inclinaison du porte objet
II.1. Détermination des mécanismes à partir de boucles de dislocations
II.2. Méthodologie expérimentale
III. Mécanismes de déformation en fatigue oligocyclique..
III.1. Eprouvette Δεt/2 = 0.6%
III.1.1. Déformation dans les liserés γ
1) Modes de déformation..
2) Expérience d’inclinaison du porte-objet
III.1.2. Déformation dans les zones lamellaires
III.2. Eprouvette Δεt/2 = 0.3%
III.2.1. Déformation dans les liserés γ
1) Mode de déformation et caractère des dislocations
2) Expériences d’inclinaison du porte objet
III.2.2. Déformation dans les zones lamellaires
III.3. Synthèse et discussion
III.3.1. Densité de dislocations en fonction de l’amplitude de déformation
III.3.2. Mécanismes de déplacement des dislocations ordinaires
IV. Traction monotone à 800°C
IV.1. Mode de déformation et caractère des dislocations
IV.2. Expériences d’inclinaison
IV.3. Synthèse
V. Fluage à 850°C
V.1. Contexte de l’étude
V.2. Mécanismes de déformation
V.2.1. Caractérisation des dislocations
V.2.2. Mécanisme de déplacement
V.3. Synthèse et discussion
VI. Conclusion
Chapitre VI Vieillissement d’IRIS
I. Contexte de l’étude et conditions expérimentales
II. Evolution des proportions de phase sous l’effet du vieillissement
III. Evolution microstructurale des liserés γ
III.1. Vue générale par MEB
III.2. Analyses chimiques à l’échelle microscopique (STEM-EDX)
III.3. Orientation des précipités β0 dans les liserés
III.4. Conclusions
IV. Evolution microstructurale des colonies lamellaires
IV.1. Vue générale par MEB
IV.2. Analyses chimiques à l’échelle microscopique (STEM-EDX)
IV.3. Microstructure de l’état non vieilli
IV.4. Microstructure de l’état vieilli
IV.5. Orientation des précipités β0 dans les colonies lamellaires
V. Influence du vieillissement sur les propriétés en traction
VI. Synthèse et discussion
VI.1. Caractérisation de l’état initial (non vieilli)
VI.2. Effet du vieillissement sur la microstructure des liserés
VI.3. Effet du vieillissement sur les colonies lamellaires
VI.4. Influence du vieillissement sur les propriétés mécaniques.
VII. Conclusions
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques
Annexe 1
I. Introduction
II. Mécanisme de déformation cyclique
III. Modélisation de la déformation cyclique
III.1. Le modèle de Chaboche (Chaboche, 1978)
III.2. Modèle de Contesti et Cailletaud (Contesti, 1988)
L’évolution de chacun des deux domaines est similaire à celle du modèle unifié :
III.3. Modèle d’Ohno et Wang (Ohno et Wang, 1993)
III.4. Modèle 2M1C ou modèle de l’ONERA (Sai, 1993)
III.5. Conclusion
IV. Modélisation du comportement cyclique de TiAl
IV.1. Données expérimentales
IV.2. Les versions du modèle de Chaboche étudiées
IV.3. Identification des modèles étudiés
IV.4. Résultats
V. Conclusion