Étude micromécanique des ruptures ductiles transgranulaire et intergranulaire des métaux

Micromechanical study of transgranular and intergranular ductile fractures of metals

• Auteur / Autrice : Cédric Senac
• Direction : Benoît Tanguy, Jérémy Hure
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service d'étude des matériaux irradiés (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Samuel Forest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Léo Morin, Thomas Pardoen, Renald Brenner, Gilles Perrin, Éric Lorentz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Léo Morin, Thomas Pardoen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Métaux -- Rupture

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Matériaux poreux

Mots clés libres

Rupture ductile

Rupture intergranulaire

Croissance et coalescence de cavités

Homogénéisation

Matériaux poreux

Plasticité cristalline

Ductile fracture

Intergranular fracture

Void growth and coalescence

Homogenization

Porous materials

Crystal plasticity

Résumé

La rupture ductile par germination, croissance et coalescence de cavités compte parmi les modes de rupture dominants pour les alliages métalliques et peut être transgranulaire aussi bien qu'intergranulaire. Dans le premier cas, l'endommagement se développe au sein des grains, tandis que dans le second cas, le phénomène de croissance et de coalescence de cavités se produit aux joints de grains du fait d'une intense localisation de la plasticité dans les zones intergranulaires. Selon la microstructure et les conditions de chargement, un grand éventail d'alliages métalliques peut présenter l'un de ces modes de rupture; certaines fractographies révèlent même des processus d'endommagement mixtes. Par exemple, le mode de ruine des alliages à durcissement structural est particulièrement sensible aux traitements thermiques qui peuvent favoriser ruptures ductiles intergranulaire et transgranulaire. Les métaux irradiés dans lesquels la transmutation génère des bulles d'hélium est aussi une classe de matériaux où la compétition entre les phénomènes d'endommagement ductiles a lieu. La prédiction du mode de rupture qui prévaut est d'une grande importance pour estimer la ductilité du matériau. Depuis des travaux précurseurs portant sur les matériaux isotropes, des efforts considérables ont été effectués afin de proposer une modélisation de la rupture ductile par homogénéisation du comportement mécanique des matériaux poreux. Ces dernières années, ces résultats n'ont été que partiellement étendus aux monocristaux avec des cavités internes, c'est-à-dire à la modélisation de la rupture ductile transgranulaire ; par ailleurs, la modélisation micromécanique de l'endommagement ductile des joints de grains poreux est toujours manquante.Afin de faire progresser la prédiction de la compétition entre rupture ductile transgranulaire et rupture ductile intergranulaire, des contributions à la modélisation et la simulation de ces deux modes de ruine sont effectuées. En ce qui concerne la rupture ductile transgranulaire, un modèle homogénéisé pour monocristal poreux est proposé à partir d'études existantes dans la littérature et évalué à l'aune de simulations de cellules-unité poreuses. Ce modèle est ensuite utilisé pour simuler la rupture ductile transgranulaire d'éprouvettes mono- et polycristallines, mettant en évidence le changement d'échelle permis par le modèle homogénéisé ainsi que l'effet de la microstructure sur la fissuration. Enfin, un critère de plasticité pour la coalescence de cavités en colonnes est développé afin de permettre la prédiction de ce mode de localisation dans les monocristaux. En ce qui concerne la rupture ductile intergranulaire, des critères de plasticité pour la croissance et la coalescence de cavités situées aux joints de grains sont tout d'abord obtenus analytiquement et validés par des simulations numériques. Grâce à une comparaison vis-à-vis de leurs pendants transgranulaires, ces critères intergranulaires fournissent des éléments qualitatifs d'évaluation de la compétition entre les modes de rupture ductile. Ensuite, un modèle homogénéisé de croissance des cavités intergranulaires est proposé et comparé aux résultats de simulations correspondants. Finalement, une expérience modèle de rupture de joints de grains poreux dans un acier austénitique inoxydable est mise en place grâce à une implantation d'ions hélium. Ainsi, l'ensemble des contributions de cette thèse fournit les éléments nécessaires à la prédiction de la compétition entre rupture ductile intergranulaire et rupture ductile transgranulaire.

The process of void nucleation, growth, and coalescence is among the dominant ductile failure modes in metallic alloys and can be transgranular as well as intergranular. In the former case, damage develops at grain interiors, whereas in the latter case, void growth and coalescence happen at grain boundaries due to intense intergranular plastic flow. Depending on microstructure and loading conditions, a broad class of metallic alloys can experience one of these fracture modes; some fractographies even reveal mixed damaging processes. For instance, the failure mode of precipitation-hardened alloys is especially sensitive to the aging treatment that can foster transgranular or intergranular ductile fracture. Irradiated metals in which transmutation produces helium bubbles are also a type of material where competition between ductile damage phenomena happens. Predicting the dominant damage process is paramount as it controls the material's ductility. Since seminal works on isotropic media, considerable efforts have been made to model ductile failure through homogenization of the mechanical behavior of porous materials. Until now, these results have only been partially extended to single crystals with internal cavities; furthermore, the micromechanical modeling of ductile damage at porous grain boundaries is still lacking.In order to enhance the prediction of the competition between transgranular and intergranular ductile fractures, this thesis contributes to the modeling and simulation of these two failure modes. In the first part, which focuses on transgranular ductile fracture, a homogenized model for porous single crystals is proposed, building on results available in the literature and assessed against porous unit-cell simulations. This model is then used to simulate the transgranular ductile fracture of mono- and polycrystalline samples, demonstrating the scaling up it allows as well as the effect of microstructure on failure. Moreover, a yield criterion for necklace coalescence of cavities is developed to predict this localization mode in single crystals. In the second part, which dwells on intergranular ductile fracture, yield criteria for the growth and coalescence of voids located at grain boundaries are derived analytically and validated through numerical simulations. Comparing these criteria to their transgranular counterparts provides a qualitative assessment of the competition between ductile fracture modes. Furthermore, a homogenized model of intergranular void growth is proposed and compared to corresponding simulation results. Finally, a model experiment of porous grain boundary fracture in an austenitic stainless steel relying on helium implantation is developed. As a result, this thesis gathers the tools necessary to predict the competition between intergranular and transgranular ductile fractures.