Approche non locale en plasticité cristalline : application à l'étude du comportement mécanique de l'acier AISI 316LN en fatigue oligocyclique., Non local approach in cristalline plasticity : study of mechanical behaviour of AISI 316LN stainless steel during low cycle fatigue

Julien Schwartz

Description

Sous la direction de Colette Rey, Olivier Fandeur
Thèse soutenue le 15 juin 2011: Ecole centrale Paris, Ecole Centrale Paris
Si l'amorçage des fissures de fatigue est aujourd'hui bien compris dans le cas de monocristaux de métaux purs, ce phénomène s'avère plus complexe à cerner et à prédire dans le cas d'alliages métalliques polycristallins tels que l'acier AISI 316LN.D'un point de vue expérimental, notre étude s'est concentrée sur la caractérisation du comportement mécanique et l'étude, à différentes échelles, des phénomènes liés à l'amorçage des fissures de fatigue oligocyclique dans l'acier 316LN. Pour des niveaux de déformation appliquée de Δε/2 = 0,3 et 0,5%, l'adoucissement cyclique observé au cours des essais coïncide avec l'organisation des dislocations sous forme de bandes. Ces bandes sont liées à l'activation des systèmes de plus haut facteur de Schmid. Elles portent la majeure partie de la déformation et provoquent en surface des intrusions et extrusions favorisant l'apparition et la coalescence de fissures.D'un point de vue modélisation, nous avons proposé un nouveau modèle de plasticité cristalline intégrant des dislocations géométriquement nécessaires (GND) directement calculées à partir du second gradient de la rotation élastique. Implémenté dans les codes d'éléments finis AbaqusTM et Cast3mTM, ce modèle s'inspire des travaux sur le monocristal en transformations finies de Peirce et al. (1983) et de Teodosiu et al. (1993). Adapté au cas des polycristaux par Hoc (1999) et Erieau (2003), il a été enrichi par l’introduction GND selon la théorie proposée par Acharya et Bassani (2000). Les simulations réalisées sur des différents types d'agrégats (2D extrudé et 3D) montrent que la prise en compte de GND permet :- de reproduire les effets de taille de grains au niveau macroscopique et local,- de décrire plus finement les champs de contraintes calculés.Ces simulations ont permis de mettre en évidence l'influence des matrices d'élasticité et d'écrouissage sur les valeurs et l'évolution des contraintes macroscopique effective et cinématique moyenne et le rôle important des conditions aux limites lors des calculs d'agrégats.
-Plasticité cristalline
-Approche non locale
-Bandes de glissement
If fatigue crack initiation is currently quite well understood for pure single crystals, its comprehension and prediction in cases of polycrystal alloys such as AISI 316LN stainless steel remain complicated.Experimentally our study focuses on the characterisation of the mechanical behaviour and on the study at different scales of the phenomenon leading to low cycle fatigue crack initiation in 316LN stainless steel. For straining amplitudes of Δε/2 = 0,3 and 0,5%, the cyclic softening observed during testing has been related to the organisation of dislocations in band structures. These bands, formed due to the activation of slip systems having the greatest Schmid's factor, carry the most part of the deformation. Their emergence at free surfaces leads to the formation of intrusions and extrusions which help cracks initiate and spread.Numerically we worked on the mesoscopic scale, proposing a new model of crystalline plasticity. This model integrates geometrically necessary dislocations (GND) directly computed from the lattice curvature. Implemented in the finite element code AbaqusTM and Cast3mTM, it is based on single crystal finite deformations laws proposed by Peirce et al. (1983) and Teodosiu et al. (1993). Extended for polycrystals by Hoc (2001) and Erieau (2003), it has been improved by the introduction of GND (Acharya and Bassani, 2000). The simulations performed on different types of aggregates (2D/3D) have shown that taking GND into account enables:- the prediction of the grain size effect on a macroscopic and on a local scale,- a finer computation of local stress field.The influence of the elasticity and interaction matrices on the values and the evolution of the isotropic and kinematic mean stresses has been shown. The importance of boundary conditions on computed mechanical fields could also be pointed out.
-Crystalline plasticity
-Non local approach
-Slip bands
Source: http://www.theses.fr/2011ECAP0026/document

Informations

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Extrait

ÉCOLE CENTRALE DES ARTS
ET MANUFACTURES
ÉCOLE CENTRALE PARIS
THÈSE
présentée par
Julien SCHWARTZ
pour l’obtention du
GRADE DE DOCTEUR
Spécialité : Mécanique & Matériaux
Laboratoire d’accueil : LMSSMat, UMR 8579
Sujet :
Approche non locale en plasticité cristalline :
application à l’étude du comportement mécanique de
l’acier AISI 316LN en fatigue oligocyclique
Thèse soutenue publiquement le 15 juin 2011 devant le jury suivant :
M. Samuel FOREST (CDM, Mines Paris) Rapporteur
M. Édgard RAUCH (SIMAP/GPM2, ENSPG)
M. Patrick VILLECHAISE (LMPM, ENSMA)
Mme Véronique AUBIN (LMSSMat, ECP) Présidente du jury
M. François CURTIT (EDF) Examinateur
M. Jean Michel STEPHAN (EDF) Invité
M. Olivier FANDEUR (LM2S, CEA Saclay) Co-directeur de thèse
Mme Colette REY (LMSSMat, ECP) Directrice de thèse
n˚ = 2011 ECAP0026
tel-00628907, version 1 - 6 Oct 2011tel-00628907, version 1 - 6 Oct 2011Remerciements
La réalisation de cette thèse a été pour moi une expérience extrême-
ment enrichissante. Cette dernière m’a permis non seulement de tra-
vailler sur un sujet très intéressant mais elle a également été l’occa-
sion d’apprendre énormément. Au cours de ces trois années de travaux,
j’ai eu la chance de rencontrer et d’avoir été soutenu et encouragé par
de nombreuses personnes. Par ces quelques lignes, je tiens à remercier
toutes ces personnes qui ont, à des degrés divers mais avec une égale
bienveillance, apporté leur contribution à ces travaux. Il est sûr que sans
leur aide cette thèse n’aurait pas été ce qu’elle est, et à ce titre, je souhai-
terais leur exprimer ma sincère gratitude.
Je tiens à remercier en particulier les membres du jury : madame
Véronique AUBIN pour avoir accepté de présider ce jury, et messieurs
Samuel FOREST, Patrick VILLECHAISE et Édgard RAUCH pour avoir
rapporté ce manuscrit. J’ai été touché par l’intérêt qu’ils ont tous porté à
mes travaux et je leur suis reconnaissant pour leur lecture minutieuse de
mon manuscrit ainsi que pour leurs remarques et leurs questions perti-
nentes.
Je souhaite ensuite remercier tout particulièrement ma directrice de
thèse, madame Colette REY, pour m’avoir offert l’opportunité de réali-
ser cette thèse. Je lui sais infiniment gré pour sa disponibilité, pour sa
patience, pour la confiance totale qu’elle m’a accordée ainsi que pour
la liberté dont j’ai pu jouir pour entreprendre et mener à bien mes tra-
vaux. J’ai reçu de sa part un soutien sans faille et les encouragements
qu’un doctorant a besoin. Je lui suis également extrêmement reconnais-
sant pour la finesse de ses remarques. Ces dernières ont très largement
contribué à l’amélioration des différentes versions de mon manuscrit.
Je remercie aussi très sincèrement mon co-directeur de thèse, mon-
sieur Olivier FANDEUR. Sa rigueur et ses connaissances scientifiques
ainsi que son engagement et son implication dans la thèse ont été une
aide précieuse et ont fortement contribué au bon avancement de mes
travaux. Dans les périodes de doute, il a été d’un réel soutien et a su
trouver les mots justes pour m’orienter et me conforter dans mes choix.
Tout au long de ces trois années, ses encouragements et ses conseils avi-
sés m’ont permis d’aller de l’avant.
Je souhaite également remercier mes responsables industriels, mes-
sieurs François CURTIT et Jean Michel STEPHAN, pour m’avoir permis
de travailler dans un contexte aussi intéressant et aussi stimulant. La
problématique industrielle qu’ils ont posée ainsi que le projet d’ANR
dans lequel ils ont choisi d’intégrer mes travaux m’ont réellement mo-
tel-00628907, version 1 - 6 Oct 2011tivé. Je leur sais gré pour leur confiance et la liberté qu’ils m’ont laissée
d’orienter mes travaux comme je le souhaitais.
C’est aussi très chaleureusement que je remercie tous les profes-
seurs, les enseignants-chercheurs et les techniciens du LMSSMat.
Je pense tout d’abord à messieurs Michel CLAVEL et Claude PRIOUL
qui m’ont fait partager leurs connaissances des domaines de la méca-
nique et de la métallurgie.
Je pense ensuite à Françoise GARNIER, Sokona KONATE, Sylviane
BOURGEOIS et à Nicolas ROUBIER que j’ai côtoyés tous les jours au
laboratoire. Je souhaite saluer leur savoir faire et leur dire un grand
merci pour leur gentillesse, leur disponibilité et l’aide qu’ils m’ont of-
ferte au quotidien. Ils m’ont beaucoup appris mais ont aussi partagé
mes doutes, mes échecs, mes réussites et ont su me remonter le mo-
ral dans les moments difficiles. Je remercie aussi Éric PERRIN et Paul
HAGHI-ASHTIANI, que j’ai certes moins bien connus, mais qui m’ont
également apporté leur aide au cours de mes travaux.
Merci, merci, merci, et plein de mercis à tous les thésards du LMSS-
Mat que j’ai rencontrés, appris à connaître et qui sont devenus pour la
plupart de réels amis au cours de ces trois années de thèse.
Je pense tout d’abord à Denis CEDAT et je le remercie tout particu-
lièrement pour m’avoir appris à prendre un peu de recul et à relativiser.
Je ne suis pas prêt d’oublier notre expédition en Allemagne, ni les mo-
ments de solitude passés au laboratoire en plein milieu du mois d’août
ou encore la folie de ses derniers jours de rédaction.
Je pense ensuite à Julien THEBAULT, le meilleur compagnon de bu-
reau que l’on puisse souhaiter. Je le remercie pour avoir toujours été
disponible pour moi et pour m’avoir aidé tout au long de la thèse. Je
me rappellerai toujours des batailles de boules de papier qu’il n’hésitait
pas à initier en fin de journée, des réveils le samedi matin à 9h pour
me demander de débugger du code alors que je souhaitais dormir, des
heures que j’ai passées à lui expliquer comment poncer correctement ses
échantillons, du bar clandestin qu’il avait aménagé dans l’armoire pour
les moments difficiles et j’en passe. J’espère qu’il n’oubliera pas que rien
ne serre de travailler si l’on ne porte pas les plus belles chaussures !
J’aimerais ensuite remercier Saeid REZAEE, mon acolyte, pour tous
les bons moments que nous avons passés au laboratoire et en dehors.
Je dois dire que sans lui ces trois dernières années n’auraient pas été les
mêmes. Je garderai en mémoire toutes nos petites aventures ainsi que
toutes ces études que nous avons menées en plus de nos travaux de
thèse et que nous ne publierons sans doute jamais !
Je souhaiterais aussi remercier tout particulièrement Julien
DE JAEGER, le petit dernier, pour toute l’aide qu’il m’a apportée tout au
long de ma dernière année de thèse et jusqu’au jour de ma soutenance.
Je n’oublierai pas ces longues soirées et ces dimanches passés au MEB
tel-00628907, version 1 - 6 Oct 2011à prier pour que ce dernier ne s’arrête pas avant la fin de nos obser-
vations. Je n’oublierai pas non plus ses séances de cuisine moléculaire,
ni les longues heures passées au téléphone, heures durant lesquelles je
lui faisais contrôler l’avancement de mes calculs et il contrôlait en re-
tour mon avancement dans les arcs de One Piece. J’espère lui avoir fait
profiter de mon expérience comme j’ai pu profiter de celle de mes pré-
décesseurs.
Je remercie enfin Huaidong WANG, Anne DEVULDER et Guillaume
PUEL (qui n’était quant à lui plus en thèse depuis longtemps, mais qui
faisait partie du groupe comme s’il l’était encore) pour leur bonne hu-
meur et les agréables moments que nous avons passés ensemble.
Merci, merci et encore merci aussi à tous mes amis et je pense plus
particulièrement à Alice, Pauline, Frédéric, Élie et Nicolas pour leurs en-
couragements et leur soutien. Ils ont toujours été là pour me remonter
le moral et me changer les idées quand j’en avais besoin.
Je remercie enfin du fond du cœur Verena pour m’avoir épaulé et
accompagné au cours de ces années de thèse. Certaines périodes n’ont
certes pas été faciles mais elle a su, par sa bonne humeur et son récon-
fort, égailler mon quotidien et me faire oublier les petits tracas de tous
les jours. Merci pour tout.
Pour finir, je souhaiterai dédier ce travail à mes parents. Les mots me
manquent pour exprimer à quel point je leur suis reconnaissant pour
toute l’attention qu’ils m’ont accordée, pour leurs encouragements et
la justesse des conseils qu’ils ont pu me donner tout au long de mon
parcours. Ils ont toujours été présents pour moi et ont fait tout ce qu’il
leur était possible de faire pour qu