HAL Id: jpa-00207082
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00207082
Submitted on 1 Jan 1971
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Hétérogénéités ellipsoïdales dans un milieu élastique anisotrope
Gabriel Faivre
To cite this version:
Gabriel Faivre. Hétérogénéités ellipsoïdales dans un milieu élastique anisotrope. Journal de Physique,
1971, 32 (4), pp.325-331. �10.1051/jphys:01971003204032500�. �jpa-00207082�
HÉTÉROGÉNÉITÉS ELLIPSOÏDALES
DANS UN MILIEU ÉLASTIQUE ANISOTROPE
G. FAIVRE
(Reçu
le 7 octobre1970,
révisé le 3 décembre1970)
Résumé. 2014 La méthode
développée
parEshelby
pour résoudre certainsproblèmes
relatifs auxchamps
de contrainte et de déformation des inclusions est ici étendue aux cristauxanisotropes.
Le
procédé
est fondé surl’emploi
de la transformation de Fourier et devient trèssimple
pour les matricescubiques.
A titred’exemple,
nous examinons uneapplication
au calcul des constantesélastiques
des solides contenant deshétérogénéités.
Abstract. 2014 The method
developed by Eshelby
forsolving
someproblems
related to the stressand strain fields of inclusions is here extended to
anisotropic crystals.
The method is based on theuse of a Fourier transformation and is
particularly simple
for cubic solids. As anexample,
itsapplication
to the calculation of the elastic constants of a solidcontaining heterogeneities
is exa- mined.Classification :
Physics
Abstracts16.30, 16.40,
16.601. Introduction. - La solution de
beaucoup
deproblèmes
relatifs aux inclusions ou auxprécipités
dansune matrice
élastique
ne demande la connaissance deschamps
de déformation et de contraintequ’à
l’inté-rieur des inclusions. Or ces
champs
sont uniformes à l’intérieur d’une inclusion de formeellipsoïdale.
Dansce cas
particulier,
il suffit donc de connaître les compo- santes d’un tenseursymétrique S, permettant
detrouver la déformation totale e à l’intérieur du
précipité,
en fonction de la déformation de
transformation eT (voir ci-dessous)
par :Eshelby
a établi ces résultats et a calculé le tenseur Sd’une inclusion
ellipsoïdale
dans une matrice élasti-quement isotrope [1].
Leprésent
article propose unprocédé
pour calculer S dans le cas où la matrice estélastiquement anisotrope.
Le calcul estdéveloppé complètement
dans le cas d’une matricecubique
etappliqué
au calcul des constantesélastiques
d’uncristal de FLi contenant des
précipités
de Li sur lesplans {001 }.
2. Le
champ
de déformation dû à une inclusionellipsoïdale.
- 2.1 DÉFINITION DES TENSEURS S ET T.- Suivant
Eshelby [1],
nous considérons l’inclusioncomme si elle
provenait
de la transformation de la matière contenue dans le volume v(limité
par la surface ferméeQ),
transformation tellequ’en
l’absencede la matrice environnante la matière contenue dans v
subirait la
déformation eT -
parrapport
à la matriceprésente
dans v avant la transformation. Onappelle eT
la « déformation detransformation » ;
elle est uniforme dansv.eT,
ouplutôt
la déformationégale
àeT
dans v et nulle hors de v, soiteP,
est lapartie plas- tique
de la déformation(au
sens de Kroner[2]).
Eneffet,
la contrainte p et la déformation(totale) e
sontliées en tout
point
par la relation :où c est le tenseur du 4e ordre des constantes élas-
tiques.
Nous avonssupposé
que les constantes élas-tiques
de la matrice et de l’inclusion sont lesmêmes, c ijkl’
Le cas où elles sont différentes est examiné auparagraphe
4. En l’absence de forcesextérieures,
lesdéplacements
u dus à l’inclusion sont les mêmes queceux que causerait la distribution de forces de vo-
lume -
Div pP,
c’est-à-dire ici les forcesP0 dO’j appli-
quées
sur la surface J(pT = c. eT),
soitr est le rayon vecteur. On
intègre
sur r’. U est le tenseurde Green de
l’élasticité,
c’est-à-dire queUij(r)
est ledéplacement
dans la direction i causé en r parl’appli-
cation à
l’origine
de la force unité de directionj.
Le théorème de Gausspermet
de modifier(3) :
où la
virgule désigne
ladifférentiation (par rapport
aux
composantes
der).
Le tenseurasymétrique
desdistorsions est en définitive donné par
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003204032500
326
Nous définissons alors le tenseur T :
et comme
nous voyons que le tenseur S
d’Eshelby
défini par(1)
est la
partie symétrique
pour les deuxcouples
d’indicesil et mn du
produit
T. c :2.2
ÉVALUATION
DU TENSEURT(r).
- Pour évaluer lesintégrales (4)
nous utilisons la transformation de Fourier définie paret
inversement
En
effet, Tilmn(r)
est leproduit
de convolution deUim,ln(r)
et de la fonctionflY(r) égale
à 1 dans le volume v et nulle à l’extérieur de v. En utilisant lespropriétés
de la transformation deFourier,
nous obtenons donc immédiatementet inversement
2.2.1
Précipité sphérique. - Supposons
d’abordque le
précipité
est unesphère
de rayon a centrée àl’origine.
La fonctioncBJ(k)
est alors bien connue,V(r)
étant le« puits
carrésphérique » :
D’autre
part,
lescomposantes Uik
de la transformée de Fourier du tenseur de Green sont données par lesystème
linéaire[5] :
Nous posons :
Ces
composantes
réduites vérifientoù les Ki sont les cosinus directeurs de
k ;
les91km
nedépendent
donc que de la direction de k et il en vade même du facteur
intervenant
dansl’intégrale (7),
Cela va nous
permettre
de réaliserséparément
l’inté-gration
sur le module de k :où dw est l’élément
d’angle
solide et u = cos(k, r).
L’intégrale
sur k estcomplexe. Cependant K, Kn c[im
est réel et seule la
partie
réelle del’intégrale
sur kdoit donner une contribution finale non nulle. Nous laissons donc de côté sa
partie imaginaire.
Comme9Y(k)
est une fonctionpaire
dek,
il vient évidemment :En nous
reportant
à(8),
nous voyons que(12) comprend
deux termescorrespondant
auxintégrales
suivantes :
et
Le
premier
terme donne dans(7)
uneintégrale
surles orientations de k telles
que 1 u 1
= cos(k, r) a/r
et une seconde
intégrale
sur celles tellesque 1 u 1 = a/r :
où ç est
l’angle
lelong
descercles 1 u 1
=air (cf.
Fig. 1 ) .
Le
point
leplus important
de ce résultat est lesuivant :
lorsque
r estplus petit
que a, la secondeintégrale
de(13) disparaît
etTilmn
se réduit àA l’intérieur de l’inclusion T est donc uniforme.
C’est le résultat dû à
Eshelby [1],
mentionné dans l’introduction. Nous aurions pu enpartir
et trouver(14)
directement en faisant r = 0 dans(11)
et(12).
Notons en
passant
que la limite de la secondeintégrale
pour r - a donne la discontinuité du
champ
à lasurface de l’inclusion au
point
considéré.Quant
à laformule
(13),
elle donne lechamp
de déformation dû à une inclusionsphérique
en milieuanisotrope
sousune forme
conceptuellement plus simple
que celle deKyoon-Haeng
Choh Lie et Koehler[4]
parexemple.
FIG. 1. - Domaines d’intégration dans l’expression (13), repré-
sentés sur la sphère unité. La première intégrale est prise sur
la surface hachurée et la seconde sur les cercles en trait fort.
Ces cercles sont l’intersection de la sphère avec les plans ortho-
gonaux à r passant par M et M’ :
2.2.2
Précipité ellipsoïdal.
- On passe directement duprécipité sphérique
de rayon a auprécipité ellip-
soïdal d’axes ai
(= a), a2 et
a3 suivantOxi, Ox2 et OX3
par lechangement
de variable suivant :L’ellipsoïde
est alors décritpar R
= al. Comme K.R =k.r,
il vient immédiatement de(6)
queet de
(7)
queAussi pouvons-nous écrire directement pour le
préci- pité ellipsoïdal :
où dQ est
l’angle
solide dansl’espace
des K etu = cos
(K. R). Quant
à la formule(14)
pour l’intérieur del’inclusion, compte
tenu deelle devient
où on
intègre
à nouveau sur les orientations de k.(17)
est la formulegénérale
cherchée. Nous allons àprésent
l’évaluer dans un casparticulier.
3. Calcul du tenseur S dans une matrice
cubique.
-Nous supposons que les axes de
l’ellipsoïde
coïncidentavec ceux du cube.
Rapportées
aux axes ducube,
lescons tantes
élastiques
d’un milieucubique
sont donnéesen fonction des
grandeurs
usuellesC11, C12
etC44
par :
Nous allons
reporter
cetteexpression
dans(10)
maisauparavant
nousremplaçons
la définition(9)
par la suivanteEn
effet,
lesystème
que vérifient ces nouvelles compo- santesréduites,
donné en annexe(eq. A .1 ),
met enévidence
qu’elles
nedépendent
que de deuxparamètres
d’élasticité :
- 44
et
qu’il en
va donc de mêmepour S, d’après (5).
Lesexpressions
desUij
définies par(18)
sont données enannexes. On montre
également
dans cette annexe que le nombre desintégrales
dutype (17)
à calculer estde 9 dans le cas
général.
Dans le cas où
l’ellipsoïde
admet un axe de révolu-tion,
parexemple OX3 (a1 = b i
= a, a3 =c),
lenombre des
intégrales
dutype (17)
linéairement indé-pendantes
est de 5 seulement. Deplus,
cesintégrales
doubles sont
intégrables
parrapport
à une des variableset se ramènent à des
intégrales simples d’expressions algébriques
entre des bornesfinies,
comme cela est démontré en annexe. Lapartie numérique
du calculdevient donc très réduite. Nous avons écrit un pro- gramme en Fortran
permettant
de calculer les tenseursT et S connaissant
C11/C44
etC12/C44
ainsi quel’aplatissement q
=cla
de l’inclusion.4. Inclusions de constantes
élastiques
différentes de celles de la matrice. -Jusqu’ici
nous avonssupposé
que l’inclusion
ellipsoïdale
considérée avait les mêmes constantesélastiques
que la matrice(Cijkl).
Une telleinclusion est
simplement
une source de contraintesinternes, équivalente
à une certaine distribution de328
dislocations immobiles. Elle
n’interagit
donc pas avec les contraintesappliquées
de l’extérieur à la surface du corps. En l’absence de sollicitationextérieure,
lescontraintes
qui règnent
dans le corps sont données parl’équation (2) ; lorsqu’on applique
sur la surfaceextérieure du corps les contraintes
pA,
celles-ci se super-posent
aux contraintesinternes,
les contraintes dans le corps étantalors p
+pA.
Il en va autrement si les constantes
élastiques
de l’inclusion
(c’)
sont différentes de celles de la matrice(c).
Enpremier lieu,
les contraintes en l’absence de sollicitation extérieure sontmodifiées, l’équation (2)
étant
remplacée
parEn second
lieu, lorsqu’on applique
les contraintespA
sur la surfaceextérieure,
elles ne sesuperposent
passimplement à p’,
mais elles’ suscitent une nouvellecomposante, p".
Les contraintes totales dans le corps sont alors
Les contraintes sont liées à la déformation totale
e
+ eA
par les relations :La détermination de e
et p
dans ce dernier cas se ramène trèssimplement
au cas traité auparagraphe
2 :on voit
qu’il
existe une inclusionfictive,
semblable àl’inclusion
réelle,
mais de mêmes constantesélastiques
que la matrice et de déformation de transformation
eTeq, qui provoquerait
en toutpoint
les mêmes défor-mations et contraintes totales que l’inclusion
réelle,
les contraintes
p’
étantappliquées
sur la surface extérieure[1].
Si cette inclusion «équivalente » existe,
les
équations
doivent être vérifiées. Mais comme l’inclusion
équi-
valente a les mêmes constantes
élastiques
que lamatrice, d’après
leparagraphe 2,
nous avons à l’inté- rieur de l’inclusion la relation(1)
Ces trois relations
(22), (23)
et(24) permettent
de calculereTeq
donc e et p. On trouve queeTeq
a deuxcomposantes :
eT’
est due aux contraintes internesproprement
diteseT"
est due à l’interaction des contraintesappliquées
avec
l’inclusion
de constantesélastiques
différentes de celles de la matrice :DT
etDA
sont deux tenseurs du 4e ordre. PosonsOn voit en
particulier
que lacomposante p"
estproportionnelle à e"’
donc àeA,
etindépendante de eT.
5. Calcul des constantes
élastiques
d’un corpscubique
contenant desprécipités
sur lesplans {001} .
- 5. 1 CONSTANTES
ÉLASTIQUES
EFFECTIVES D’UN CORPSHÉTÉROGÈNE. - Il est
clair, d’après
cequi précède,
que la
présence
d’inclusions de constantesélastiques
différentes de celles de la matrice va provoquer une modification de la
réponse élastique
du corps aux sollicitationsextérieures,
autrement dit une modifi-cation de ses constantes
élastiques.
Eneffet,
le terme de contraintesp", interagissant
avec les contraintesappliquées pA
donne dansl’énergie emmagasinée
par le corps un nouveau termequadratique
enpA, E"(pA).
Ce terme a été calculé par
Eshelby [1] :
Il
n’y
a pas dansl’énergie
d’autres termes enpA
dusà la
présence
del’inclusion,
lacomposante p’
n’inter-agissant
ni avecpA,
ni avecp".
Le
comportement
d’un corpsélastique homogène
est décrit par ses constantes
élastiques Cijkl,
ou sescompliances Sijkl’
Pour décrire lafaçon
dont un corps contenant des inclusionsrépond
à des sollicitationsextérieures,
il est commode de lui attribuer des constan- tesélastiques
effectivesCijkl,
ou descompliances S ijkl.
L’utilisation de telles constantesélastiques
effec-tives
signifie qu’à
l’échellemacroscopique,
on considèrele corps comme
homogène.
Les constantes effectivesreprésentent
donc une certaine moyenne despropriétés
du corps
hétérogène.
Celaimplique
pour leuremploi
la limitation suivante : il faut que le
champ
extérieurvarie très peu dans tout le domaine où le
champ
dû àune inclusion n’est pas
négligeable.
Lechamp
exté-rieur doit donc être uniforme ou
quasi-uniforme.
Enparticulier,
utiliser ces constantes effectives pour le calcul de la vitesse depropagation
des ondes ultra-sonores n’est valable que pour des ondes dont la
longueur
d’onde est trèssupérieure
aux dimensionsdes inclusions.
Les constantes
élastiques
effectives que nous allons définir relient la déformation moyenne dans le volume V du corps(très grand
parrapport
au volume v d’uneinclusion)
aux contraintesrégnant
sur lasurface E qui
limite ce volume. Autrement
dit,
on considère lasituation suivante : on
applique
surla- surface E les
contraintes uniformes
p ; ;
le volume V du corps subit les déformations moyenneseij
>. Ses constantesélastiques effectives,
ouplutôt
sescompliances jijkl,
sont :
où E est
l’énergie emmagasinée
dans le corps.Considérons un corps contenant une
répartition
uniforme d’inclusions. Soit
f
la fractionvolumique occupée
par les inclusions. Si les inclusions sont assez distantes les unes des autres, donc à la limite des faibles fractionsvolumiques,
onpeut négliger
l’inter-action des inclusions entre elles par
rapport
à leur interaction avec lechamp
extérieur. Eneffet,
lesinclusions
interagissent
par lacomposante p"
de leurchamp
decontrainte,
et celle-ci décroît comme le cubede la distance à l’inclusion. Les modifications des
constantes
élastiques
dues aux différentes inclusions sont alors additives. Si toutes les inclusions ont la même forme et les mêmes constantesélastiques cI,
onaura
d’après (28), (27)
et(25b) :
où le tenseur
DA
est une fonction de c,c’
et de la forme duprécipité.
Si le corps contient
plusieurs
familles d’inclusions deformes,
constantesélastiques
et orientations diffé-FIG. 2a. - Constantes élastiques apparentes d’un cristal de FLi contenant des précipités de Li (f = 1 %) en forme d’ellipsoïdes aplatis sur les
plans {001 },
en fonction de l’aplatissement des précipités. En ordonnée, variation relative des constantes par rapport au FLi pur (C11 = 11,12 ; C12 = 4,2 ; C44 = 6,28 en 1011 dyns/cm2. En abscisse, le rapport q = cla des axes del’ellipsoïde.
rentes, à
chaque
famillecorrespond
un tenseurDA particulier
et il fautajouter
les contributions des diffé-rentes
familles,
calculéesséparément, toujours
dansl’hypothèse
où les inclusions sont en faible fractionvolumique
totale etréparties
au hasard dans le corps.La distribution de taille des inclusions n’a en revanche
aucune influence.
5.2 APPLICATION A LA PRÉCIPITATION DE Li DANS
FLi. - Nous avons écrit un programme de calcul de c =
s-1 applicable
à une matricecubique
et à desinclusions en forme
d’ellipsoïdes
de révolution d’axe[001].
Ce programme a étéappliqué
enparticulier
au calcul des constantes
élastiques
d’un cristal de fluorure de lithium FLi contenant desprécipités
delithium
aplatis
sur lesplans {001}.
Les constantesélastiques
de FLi et de Li sont en effet connues[3] ;
FLi est assez peu
anisotrope (A
=1,815).
Lafigure
2areprésente
les constantesélastiques
d’un cristal de FLi contenant 1%
en volume de Li en fonction del’apla- tissement q
=cla
desprécipités.
Dans ce cas
particulier,
lesplaquettes
de Liqui
seforment sur les
plans { 001 }
du FLi sont assimilées à desellipsoïdes
de révolutionaplatis
d’axe[001].
Larépartition
entre les différentsplans {001 }
est sup-posée égale ;
on a donc introduit dans(29)
la moyenneFIG. 2b. - Valeur moyenne (moyenne de Reuss) du module d’Young E et du module de cisaillement fl d’un cristal de FLi contenant des précipités de Li ( f = 1 %) en forme d’ellipsoïdes aplatis sur
f 001 },
en fonction de i’aplatissement des précipités.Variation relative par rapport au FLi pur
(ER = 12,80, ,uR = 4,74 en 1011 dyns/cm2) .
Les courbes en tireté représentent les résultats du calcul dans
l’approximation où FLi est isotrope.
330
des tenseurs
D’ correspondant
aux trois orientations.Nous n’avons pas tenu
compte
de l’effet des autresdéfauts
qui peuvent
se former dans la matrice au cours de laprécipitation.
Il est intéressant de comparer les résultats du calcul exact effectué ici avec ceux obtenus dans
l’approxima-
tion où la matrice est
isotrope.
Cela est effectuéfigure
2b où on arapproché
les valeurs moyennes(moyenne
deReuss)
du module de cisaillement et du moduled’Young
obtenues suivant les deuxcalculs.
Lorsque
lesprécipités
sont trèsaplatis, l’approximation
de la matrice
isotrope
n’aplus qu’une
valeurquali-
tative. En
effet,
pour unaplatissement
tendant versl’infini,
le calculapproché indique
une variation relativedes modules
élastiques
moyensplus
de 2 foissupérieure
à la variation réelle :
7,8 %
pourER
et6,9 %
pour f1Ralors que le calcul en élasticité
anisotrope indique
pour ces deux
grandeurs
une variation relative de2,91 %.
Remerciements. - Ce travail a été effectué au cours
d’un
stage
DRME au laboratoire dePhysique
desSolides de la Faculté des Sciences de Lille. Je remercie le Dr G. Saada
qui
m’asuggéré
ce calcul.Bibliographie
[1]
ESHELBY(J. D.),
Proc. Roy. Soc.,1957,
A241,
376.[4]
KYOON-HAENG CHOH LIE et K0152HLER(J. S.),
Advances[2]
KRÖNER(E.),
Kontinuumstheorie der Versetzungen, inPhysics, 1968,
17, 421.Springer Verlag, Berlin,
1958. [5] DE WITT(R.),
Solid StadePhysics, 1960, 10,
249.[3]
HUNTINGTON(H. B.),
Solid StatePhysics, 1958, 7,
213.ANNEXE
Les
composantes
réduites(18)
de la transformée de Fourier du tenseur de Green d’un milieu cubi- que sont données par lesystème
où a
et y
sont les constantes définies par[19].
Le
système
sedécompose
en troissystèmes
indé-pendants
de troiséquations.
On obtient ainsi aisémentavec
et
les autres
composantes
étant obtenues parpermutation
circulaire des indices.
On a
posé
poursimplifier
Le
facteur l Kn élLim
intervenant dans(17)
est doncle
rapport
de deuxpolynômes.
Le dénominateur D étantpair
parrapport
à tous les xi, seules lesintégrales
telles que KI KII
Dim
soitpair
parrapport
à tous les Ki sont non nulles. Les seulescomposantes
non nulles de T sont donc les mêmes que celles de c. D’autrepart
les Kl KnDim
sont despolynômes
du 6edegré
que nous supposons à
présent pairs
parrapport
àtous les Ki. Ce sont donc des combinaisons linéaires des 20 monômes
pairs
dedegré
inférieur ouégal
à 6.Il
n’y
a donc que 20intégrales
à calculer. Soit I(M) l’intégrale correspondant
au monôme M. Comme les variables sont liées par la relationil s’introduit encore 10 relations linéaires entre ces
monômes. De
plus,
le dénominateur D est lui-mêmeune combinaison linéaire des mêmes monômes et
ce
qui
introduit la relationsupplémentaire
Il
n’y
a donc que 9intégrales indépendantes
àcalculer.
Si
l’ellipsoïde
est de révolution autour deles
intégrales qui
ne diffèrent l’une de l’autre que parl’échange
des indices 1 et 2 sontégales :
cela réduit le nombre desintégrales indépendantes
à 5. Nous choisissons parexemple
et
Soient 0 et p les
angles polaires
de k(K3
= cos0) :
Il vient dans le cas de
l’ellipsoïde
de révolution(q
=cla) :
où
d’après (A. 3)
avec
pi et p, sont des
polynômes. L’intégration
suivant ç est élémentaire. Pour lesquatre premières
descinq intégrales choisies, l’intégrale
en 9 estIl vient pour finir
fi et f2
étant définis par(A. 6).
De ces
cinq intégrales,
nous déduisons immédia-tement
15
=I(K2 K2 K2)
par la relation(A. 5).
Lesintégrales correspondant
à tous les autres monômess’en déduisent facilement et on obtient pour les compo- santes de la
partie symétrique
de TSi le
précipité
estsphérique,
deuxintégrales
seule-ment sont
indépendantes,
parexemple Io
etI2 (Il
=Io/3)
et on a :
I,
étant donnée par la relation(A. 5) qui prend
laforme