Numerical modeling of fatigue crack growth in single crystal nickel based superalloys

par Ozgur Aslan

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Samuel Forest.

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Simulation numérique de la fissuration par fatigue dans les monocristaux de superalliages à base de nickel


  • Résumé

    Les composants monocristallins fonctionnant à des températures élevées sont soumis à des conditions de chargement thermo-mécanique sévères. La géométrie et le comportement de ces composants sont très complexes. Un défi majeur est de développer des modèles mathématiques afin de prévoir l'initiation et la propagation de fissures en présence de contraintes importantes et de forts gradients de température. Dans ce cas, le comportement élastoviscoplastique fortement anisotrope du matériau étudié (superalliage à base Ni) doit être pris en compte. Le modèle correspondant doit être en mesure de rendre compte de la croissance anisotrope des fissures et de leur bifurcation dans des champs de contrainte complexes. De plus, le modèle doit être capable de prédire non seulement le taux de croissance des fissures mais aussi les chemins de fissuration. La mécanique de l'endommagement anisotrope est un cadre théorique bien adapté au développement de modèles de croissance de fissures dans les monocristaux. Au cours d'études précédentes, une loi de comportement couplant plasticité cristalline et endommagement cyclique a été développée, démontrant l'intérêt de cette approche, mais aussi ses limites, notamment du fait de la dépendance au maillage des résultats. Le développement récent de modèles non-locaux dans le cadre de la mécanique des milieux continus pourrait ainsi aider à surmonter ces difficultés. Une grande base expérimentale existe concernant l'initiation et la propagation de fissures dans les superalliages monocristallins à base de nickel. Les simulations thermomécaniques par éléments finis des aubes de turbine fournissent des informations détaillées sur la distribution des contraintes et des déformations plastiques, en particulier près de singularités géométriques comme les trous et les fentes de refroidissement. Tout d'abord, sur la base de la théorie de la plasticité cristalline qui établit un lien solide entre les contraintes et les déformations plastiques, un modèle découplé en mécanique de l'endommagement basé sur l'historique des calculs par éléments finis sera présenté. Ensuite, un modèle d'endommagement incrémental basé sur les milieux généralisés sera proposé et enfin, les prédictions du modèle pour l'initiation et la croissance de micro-fissures en résolvant le problème de dépendance au maillage seront discutés.


  • Résumé

    Single crystal components operating at elevated temperatures are subjected to severe thermomechanical loading conditions. The geometry and behaviour of these components are now very complex. A major issue is to develop models to predict crack initiation and crack growth in the presence of strong stress and temperature gradients. The strongly anisotropic elastoviscoplastic behaviour of the material which is a single crystal nickel base superalloy, must be taken into account. The corresponding model should be able to account for anisotropic crack growth and crack bifurcation in complex stress elds. Moreoever the model must be capable of predicting not only the crack growth rate but also the non-straight crack paths. Anisotropic damage mechanics is a well-suited theoretical framework for the development of crack growth models in single crystals. A model coupling crystal plasticity and cyclic damage has been developed in a previous project, that shows the interest of the approach, but also its current limits, in particular the strong mesh dependence of the results. Recent development of nonlocal models within the framework of the mechanics of generalized continua could help overcoming these difficulties. A large experimental basis exists concerning initiation and crack growth in single crystal nickel base superalloys. Finite element simulations of the thermomechanics of turbine blades provide detailed information about stress and plastic strain distribution, in particular near geometrical singularities like cooling holes and slits. First of all, on the basis of crystal plasticity theory which provides a solid link between stress and plastic strains, an uncoupled damage mechanics model based on the history of FE calculations will be presented. Afterwards, an incremental damage model based on generalized continua will be proposed and model predictions for the initiation and growth of microcracks by solving the mesh dependency, will be discussed.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 12 p.

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.299 CCL TH 1271
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  • Cote : EMP 160.300 CCL TH 1271
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