Modélisation du comportement et de l'endommagement en fatigue fluage du zirconium alpha à 200°c

par Cécile Vogel

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Georges Cailletaud.

Soutenue en 1996

à l'ENSMP .


  • Résumé

    L'étude porte sur le comportement mécanique du zirconium alpha à 200°c et sur la prévision de l'amorçage de fissures, en particulier lorsque les sollicitations induisent des phénomènes de fatigue fluage. Une approche classique pour rendre compte des phénomènes d'interaction entre les maintiens en déformation et le cyclage ne permet pas facilement d'interpréter les résultats expérimentaux. On a par conséquent développé une nouvelle approche qui permet de déterminer un nombre de cycles à amorçage pour de larges conditions de chargement et pour des structures complexes. Pour étudier l'influence de l'interaction fatigue fluage sur l'amorçage de fissure, on a choisi un modèle qui utilise une variable scalaire d'endommagement, représentative de l'état de détérioration du matériau. Le modèle propose de cumuler de façon non linéaire un endommagement associé aux sollicitations cycliques et un endommagement associé à l'influence du temps. Il s'appuie sur une approche découplée entre l'endommagement et le comportement qui est décrit par un modèle à deux déformations inélastiques. Ce dernier modèle est choisi car il permet de distinguer une partie plastique et une partie viscoplastique dans l'écoulement inélastique. L'endommagement cyclique est fonction de l'amplitude de contrainte et de la contrainte moyenne, et la sensibilité particulière du matériau au fluage a conduit à définir un paramètre spécial, critique vis-à-vis de l'endommagement de fluage. Il s'agit de la variable d'écrouissage cinématique associée aux variables d'état décrivant ce type d'écrouissage pour le mécanisme viscoplastique. En pratique, on a identifié les coefficients pour le comportement à partir de données expérimentales de caractérisation mécanique, et pour l'endommagement à partir de données de rupture obtenues avec des éprouvettes uni axiales. Etant donné que le paramètre choisi comme étant critique à l'endommagement de fluage n'est pas une grandeur mesurable expérimentalement, on a développé une méthode d'identification permettant d'analyser le problème de façon globale, c'est-à-dire le comportement avec l'endommagement. Les résultats du modèle, en termes de nombres de cycles, donnent des prévisions de rupture qui se situent entre un rapport 1/2 et un facteur 2 par comparaison avec les données expérimentales. Les résultats du modèle développé et identifié en situation uni-axiale ont ensuite été confrontés à des données expérimentales obtenues sur des éprouvettes entaillées. Les applications effectuées indiquent que les résultats en termes d'amorçage sont en bon accord avec les données expérimentales disponibles. Pour terminer l'analyse de l'ensemble des résultats expérimentaux, on a identifié un modèle de comportement poly cristallin qui permet de prendre en compte les différences de texture de l'ensemble des tôles utilisées. Les réponses apportées par cette modélisation ou les mécanismes de déformation introduits sont le glissement prismatique et le glissement pyramidal de première espèce améliore notablement la description du comportement et les réponses en termes de déplacements mesures sur les éprouvettes cylindriques entaillées par rapport au modèle de comportement phenomenologique.

  • Titre traduit

    Modeling of behaviour and damage of zirconium alpha at 200c under creep-fatigue conditions


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    The present work deals with mechanical behaviour of zirconium alpha at 200°C and crack initiation prediction methods, particularly when loading conditions lead to interaction of fatigue and creep phenomena. A classical approach used to study interaction between cyclic effects and constant loading effects does not give easy understanding of experimental results. Therefore, a new approach has been developed, which allow to determine a number of cycles for crack initiation for complex structures under large loading conditions. To study influence of fatigue and creep interaction on crack initiation, a model was chosen, using a scalar variable, giving representation of the material deterioration state. The model uses a non linear cumulating effect between the damage corresponding to cyclic loads and damage correlated to time infuence. The model belongs to uncoupled approaches between damage and behaviour, which is described here by a two inelastic deformations model. This mechanical behaviour model is chosen because it allows distinction between a plastic and a viscous part in inelastic flow. Cyclic damage is function of stress amplitude and mean stress. For the particular sensitivity of the material to creep, a special parameter has been defined to be critical toward creep damage. It is the kinematic term associated to state variables describing this type of hardening in the viscous mechanism. On a practical point of view, material coefficients needed to describe the mechanical behaviour model have been identified, using experimental mechanical characterisation data. For the damage model, rupture data obtained from uniaxial samples were used. The mechanical parameter, specially defined to discriminate creep phenomena, is not experimentally available, hence, an identification method wad developed in order to analyse the whole problem : mechanical behaviour and damage together. It gives crack initiation predictions, and in terms of number of cycles, the results stand between factors 1/2 and 2 compared with experimental data. Confrontation was made between results of the model-develped and identified in uniaxial conditions- and experimental data obtained on notched samples. These results are in good agreement with the experimental information available on the performed tests. To finish the analyse of the whole experimental results, a polycrystal mechanical behaviour model was identified. Differences of texture can be taken into account with this model. The mechanisms of deformation introduced in this modelisation are prismatic and pyramidal (first specie) glidings ; mechanical behaviour is therefore much better described and measured displacements on notched samples are also better improved, compared to answers given by the phenomenological behaviour model used before.

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  • Détails : 1 vol. (X-283 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [239-245], 90 réf.

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