Etude statistique et numérique des interactions bandes de glissement-joints de grains : application aux superalliages de nickel

Statistical and Numerical Study of Slip Bands-Grain Boundaries Interactions : Case of Nickel Based Superalloys

• Auteur / Autrice : Julien Genée
• Direction : Patrick Villechaise, Loïc Signor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 08/12/2017
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Olivier Castelnau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maxime Sauzay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marion Risbet-Voitot, Stéphane Berbenni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élasticité

Contraintes (mécanique)

Macles (cristallographie)

Éléments finis, Méthode des

Simulation par ordinateur

Microscopie électronique à balayage

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Déformations (mécanique)

Nickel -- Alliages

Alliages réfractaires

Joints de grains

Mots clés libres

Undimet™720Li

Interaction bande de glissement-joint de grains

Transmission du glissement

Undimet™720Li

Slip band-grain boundary interaction

Slip transmission

Résumé

Ce travail de thèse s’est focalisé sur les interactions entre bandes de glissement - localisant la déformation plastique dans les matériaux métalliques polycristallins - et joints de grains. Le matériau choisi comme support de l’étude est un superalliage base Nickel (UdimetTM 720Li). De récents travaux ont montré que les bandes arrêtées aux joints de grains peuvent induire dans les grains voisins des rotations cristallines concentrées au sein de régions appelées micro-volumes. Ce phénomène est observé aux températures faibles et intermédiaires (T < 500°C), sous chargement monotone et cyclique. Il est responsable des premiers stades d’endommagement et conduit à la formation des fissures fatales en fatigue.Une analyse statistique d’un grand nombre d’interactions bandes de glissement – joints de grains via des observations MEB sur éprouvettes pré-déformées a été menée en relation avec les configurations cristallographiques locales afin d’identifier celles qui favorisent ou inhibent la formation des microvolumes.Un rôle particulier de l’angle de twist traduisant l’alignement des systèmes de glissement de part et d’autre du joint de grains a été mis en évidence notamment dans le cas des joints de macle.Ensuite, le travail a porté sur l’établissement de deux stratégies de simulation numérique en champs complets par éléments finis de l’interaction d’une bande de glissement avec un grain voisin. L’étude de la réponse élastique du grain voisin et notamment l’analyse des distributions des rotations cristallines,des contraintes et scissions résolues au sein du grain en tête de la bande de glissement ont permis de mieux comprendre les conditions favorisant la transmission du glissement au joint de grains et celles conduisant à l’arrêt des bandes de glissement avec ou sans formation de micro-volumes.

This thesis research focused on interactions between slip bands – manifestation of plastic strain localization in polycrystalline metallic materials – and grain boundaries. The material chosen for the study is a nickel based superalloy (UdimetTM 720Li). Recent investigations have shown that slip bands blocked at grain boundaries can induce significant crystalline elastic rotation in highly localized regions – referred to as micro-volumes – in neighboring grains. This phenomenon is observed from room to intermediate temperatures (T < 500°C), under monotonic or cycling loading. It is responsible for the first stages of damage initiation and is at the origin of fatigue fatal cracks.A statistical analysis was carried out over a large data set of slip bands – grain boundaries interactions through SEM observations performed on pre-deformed samples. Local crystallographic configurations were investigated in order to identify those that favor or inhibit the formation of micro-volumes. A peculiar role of the twist angle - related to the alignment of slip systems on both sides of the grain boundary – was evidenced, particularly in the case of twin boundaries.Then, two strategies of numerical modeling of the interaction between a slip band and a neighboring grain using full-field finite element simulation were developed. In this work, the elastic regime only is considered and distributions of crystalline rotations, stresses and resolved shear stresses at the tip of theim pinging slip band in the neighboring grain were analyzed in order to better understand the conditions leading to the transmission of slip through the grain boundary and those leading to the termination of slip bands with or without formation of micro-volumes.