Continuum vs. dislocation dynamics modelling of thin films

Simulation numérique du comportement mécanique des films minces métalliques par la théorie continue et la dynamique discrète des dislocations

Filip Siska (1)

1 CDM - Centre des Matériaux

The topic of the thesis is focused on the investigation of the mechanical properties of the copper thin films. These properties are investigated by the finite element method within the framework of classical crystal plasticity and discrete dislocation dynamics. The elasto-plastic simulations show that the presence of (001) and random oriented grains increases the level of stresses in adjacent (111) oriented grains. Comparison with experimental results shows that used model is not able to predict such high amount of hardening and level of stresses, which are measured during experiments. The evolution of hardening, plastic microstrain, and global and local surface roughness are investigated by the simulations of cyclic loading of copper polycrystalline aggregates. The hardening tends to saturate as well as the global roughness. The areas of the cumulated residual strain and areas with evolving local roughness are founded. These areas can be precursors of damage. The other approach in simulations of polycrystalline aggregates is represented by the discrete dislocation dynamics theory. The simulations show that the largest influence is given by the initial source length while the different film thickness does not change the results so much. The highest dislocation activity is observed in the (001) oriented grains and the lowest is in (111) oriented grains.

Le sujet de la thèse contenue l'étude de propriétés mécaniques des couches minces à base de cuivre. Ces propriétés sont étudiées à aide de la méthode élément finis dans le cadre de la plasticité cristalline classique et dans le cadre de dynamique discrète des dislocations. Les simulations élasto-plastiques montrent que la présence des grains avec une orientation (001) et aléatoire augmentent les contraintes dans les grains adjacents d'orientation (111). La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que le modele n'est pas capable de prévoir des contraintes aussi élevées que l'écrouissage quel sont mesurés dans les expériences.L'évolution de l'écrouissage, de la microdéformation plastique, de la rugosité locale et globale de la surface sont étudiées par les simulations de chargement cyclique d'agrégats polycristallins de cuivre. L'écrouissage et la rugosité saturent pendant le chargement. Il existe des régions où la déformation résiduelle cumulée et la rugosité locale évoluent pendant le chargement cyclique. Ces régions favorisent par l'amorçage de l'endommagement. L'autre approche dans les simulations des agrégats polycristallins est représentée par la théorie de la dynamique discrète des dislocations. Les simulations montrent que la plus grande influence est due à la longueur initiale des sources. Par contre, l'épaisseur des films a peu d'influence sur la comportement du film. Les dislocations sont le plus actives dans les grains avec une orientation (001) et l'activité minimale est observée dans les grains avec une orientation (111).

Mots clés: crystal plasticity; discrete dislocation dynamics; finite elements; thin films; polycrystals; plastic deformation; surface roughness

Mots clés: Écrouissage; Méthode des éléments finis; Couche mince; Propriété mécanique; Polycristal; Plasticité; Théorie dislocation; Rugosité

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Filip Siska. Continuum vs. dislocation dynamics modelling of thin films. Mechanics [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2007. English. ⟨NNT : 2007ENMP1481⟩. ⟨tel-00204422⟩