Visco-plasticité de transformation de phase diffusive : modélisation numérique et caractérisation des effets de la viscosité

par Maher El Haj Kacem

Thèse de doctorat en Mécanique. Mécanique des matériaux

Sous la direction de Nicolas Lecoq et de Fabrice Barbe.

Le président du jury était Michel Coret.

Le jury était composé de Nicolas Lecoq, Fabrice Barbe, Michel Coret, Christian Lexcellent, Kacem Sai, Lakhdar Taleb.

Les rapporteurs étaient Christian Lexcellent, Kacem Sai.


  • Résumé

    Dans cette étude, nous analysons les conséquences mécaniques des transformations de phase diffusives, particulièrement la plasticité de transformation ou TRIP (TRansformation Induced Plasticity) ainsi que le comportement élasto-viscoplastique. Cette plasticité de transformation, explicable par le mécanisme de Greenwood-Johnson, est souvent décrite avec le modèle de Leblond qui fait l'hypothèse d'un comportement élastoplastique. Dans ce modèle comme dans la majorité des analyses expérimentales et des modélisations (analytiques, par éléments finis, FFT ou encore champ de phase), une des hypothèses principales est de ne pas prendre en compte le caractère visqueux du comportement. Or plusieurs études récentes montrent que le comportement des deux phases (parente et produite) peut être très sensible au taux de déformation imposé, particulièrement à haute température. D'où l'intérêt de développer une modélisation rendant compte des effets visqueux présents lors de certaines transformations. Pour ce faire, nous adoptons une modélisation numérique où le comportement de chaque phase est décrit par une loi élasto-viscoplastique à écrouissage mixte associée à la loi de Norton ; la cinétique de transformation est imposée et le problème d'interactions mécaniques entre phases est traité par la méthode des éléments finis. D'une part, la contribution de la viscosité au TRIP est quantifiée pour différents taux de déformation imposés durant la transformation de phase. D'autre part, l'effet du taux de transformation (configuration arbitraire) sur la prédiction du TRIP est évalué et caractérisé. Une extension des modèles existants (à cinétique périodique et aléatoire) est proposée. Elle consiste d'abord à étudier et évaluer l'effet de la morphologie de germe ainsi que l'anisotropie de croissance sur la prédiction du TRIP. Ensuite, une amélioration avec un modèle anisotherme, basé sur des mesures expérimentales existantes, a été introduite. Elle consiste principalement à tenir compte de la variation des propriétés mécaniques en fonction de la température. Les analyses montrent que la prise en compte de la viscosité peut conduire à des effets importants sur la prédiction du TRIP par rapport aux résultats obtenus avec un modèle élastoplastique classique. Elles montrent en particulier, en configuration anisotherme, une amélioration de la prédiction du TRIP mesuré expérimentalement lors de la transformation perlitique d'un acier 100Cr6 [Tahimi, 2012]. Cette étude permet par ailleurs de dégager des tendances évidentes dans les relations entre le TRIP et l'histoire de la transformation : chargement mécanique et cinétique de transformation, morphologie des germes et anisotropie de croissance. Ces résultats pourront contribuer à l'élaboration d'un modèle analytique simple prenant en compte la viscosité.

  • Titre traduit

    Visco-plasticity of diffusive phase transformation : numerical modeling and characterization of the viscosity effects


  • Résumé

    In this study, the mechanical consequences of phase transformations in steel, particularly, the TRansformation Induced Plasticity TRIP as well as the elasto-viscoplastic behavior has been analyzed. This transformation plasticity, due to the Greenwood-Johnson mechanism, is often described with the model of Leblond with the assumption of an elastoplastic behavior. Moreover, in the majority of experimental analysis or numerical finite elements modeling FEM or phase field modeling PFM, the viscous criteria were not considered. However, several recent studies have demonstrated that both phases (parent and product) show high strain-rate sensitivity at elevated temperatures. Hence, the principal interests using the FEM modeling to extend these main reference models of [Leblond, 89] and [Taleb-Sidoroff, 2003], with taking into account the viscous effects, which are present during some phase transformations, especially at high temperatures. To do this, the behavior of each phase is described by an elasto-viscoplastic law with mixed hardening associated to the Norton law. The transformation kinetics is imposed and the problem of mechanical interactions between phases is processed by the finite element method. On the one hand, the contribution from viscosity to TRIP was quantified for different strain-rate during phase transformation. On the other hand, the effect of an arbitrarily-set of transformation-rate in the FEM simulations was evaluated and characterized. An extension of the existing models (for periodic and random kinetics) is proposed. It consists at first in studying and in evaluating the effect of both the morphology of nuclei and the growth anisotropy, on the prediction of TRIP. Then, an improvement with non-isothermal model, based on existing experimental measures, was introduced. It consists mainly in taking into account the variation of the mechanical properties of the mixture of both phases, according to the temperature. The predictions show that in such cases, the consideration of the viscosity can lead to major changes of the estimated TRIP compared with results obtained from a classic plastic model. Also, the prediction of TRIP can be significantly influenced by the choice of the morphology of germs and by the type of growth: isotropic or anisotropic. These improvements, particularly with the non-isothermal configuration, show a good agreement with experimental measures of TRIP on the 10006 steel during pearlite phase transformation [Tahimi, 2012]. This study allows besides, releasing obvious trends in the relations between the TRIP and the history of the phase transformation: mechanical loading and kinetics of transformation, morphology of nuclei and growth anisotropy. These results can contribute to the elaboration of a simple analytical model taking into account the viscous criteria.


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