Étude numérique des champs mécaniques locaux dans les agrégats polycristallins d'acier 316L sous chargement de fatigue

Numerical investigation of the local mechanical fields in 316L steel polycrystalline aggregates under fatigue loading

• Auteur / Autrice : Yoann Guilhem
• Direction : Georges Cailletaud, Stéphanie Marjorie Basseville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Texture (cristallographie)

Acier

Acier

Autocorrélation (statistique)

Résumé

Les chargements thermomécaniques cycliques conduisent à l'apparition de fissures courtes de fatigue dont la phase d'amorçage est prépondérante par rapport à la durée de vie totale du composant. Les mécanismes liés à l'évolution de ces fissures présentent une forte dépendance vis-à-vis de la microstructure du matériau, notamment à faible amplitude de chargement. Afin d'étudier cette dépendance, une étude statistique basée sur des résultats de calculs éléments finis d'agrégats polycristallins a été conduite. Le problème a d'abord été traité en deux dimensions, avec un modèle de plasticité cristalline simplifié. L'analyse des résultats a permis de mettre en évidence un effet de voisinage dans les polycristaux et de retranscrire la dispersion des résultats de fatigue observés en surface. En passant à un modèle en trois dimensions et étudiant différents chargements, il a été possible de corréler les structures de localisation de la déformation plastique dans le volume de l'agrégat avec les observations expérimentales. Également, les marches d'intrusion/extrusion induites en surface par les chargements de fatigue, sites préférentiels d'amorçage, ont été reproduites. Elles mettent en exergue la nocivité des chargements de type équibiaxial. Le problème des effets de bords a été soulevé, car il réduit l'échantillon des résultats exploitables par un traitement statistique. Ensuite, l'introduction de la rugosité de surface dans les agrégats simulés a mis en lumière la compétition entre les paramètres microstructuraux du matériau et les singularités géométriques de sa surface libre. Cette analyse a permis de montrer qu'il doit exister un état de surface limite, à partir duquel l'effet de la rugosité prend le dessus sur l'aspect cristallographique concernant la localisation de la déformation plastique en surface des polycristaux. Néanmoins, cet effet s'estompe très rapidement dans la profondeur et devient presque nul après la première rangée de grains surfaciques. Enfin, une modélisation à la fois périodique et rendant compte de l'effet de surface libre, appelée modélisation semi-périodique, a été mise en place pour éliminer les effets de bords et exploiter pleinement les résultats de calculs. Cette méthode apporte aussi de nouvelles perspectives pour l'élaboration d'un modèle à champs moyens pour les polycristaux en surface.

Cyclic thermomechanical loadings lead to the formation of short fatigue cracks, the initiation phase of which is prominent over the total life of the component. Mechanisms related to the evolution of these cracks have a high dependence on the microstructure of the material, especially under low-amplitude loading. To study this dependence, a statistical study based on the results of finite element calculations of polycrystalline aggregates was conducted. First, the problem was treated in two dimensions, with a simplified crystal plasticity model. Analysis of the results allowed to highlight the neighboring effect in polycrystals and to reproduce the dispersion of fatigue results observed at the surface. Using a three-dimensional model and investigating different loadings, it was possible to correlate the localization structures of plastic deformation in the volume of the aggregate with the experimental observations. Also, the steps of surface intrusions and extrusions induced by fatigue loadings, preferential sites of initiation, have been reproduced and highlight the harmful effects of biaxial loadings. The problem of effects was raised, reducing the results sample that can be used by a statistical treatment. Second, the introduction of surface roughness in the simulated aggregates highlighted the competition between the microstructural parameters and geometric singularities of the free surface. This analysis has shown that there must exist a limiting surface state, from which the effect of the roughness takes over the crystallographic aspect concerning the plastic deformation localization at the surface of polycrystals. However, this effect fades quickly when depth increases and becomes almost nil under the first layer of surface grains. Finally, another three-dimensional model, both periodic and accounting for the free surface effect, called semi-periodic model has been implemented to eliminate boundary condition effects and to fully exploit the results of calculations. This method also brings new perspectives for the development of a new mean fields model dedicated to the behavior of surface of polycrystals.