A homogenization-based damage model for stiffness loss in ductile metal-matrix composites(Article)

The aim of this paper is to develop a homogenized model that permits to describe the progressive loss of stiffness observed experimentally on ductile metal-matrix composites subjected to mechanical loadings. A two-step homogenization procedure is proposed to describe the effect of damage on the elastic properties. Since damage is solely driven by plastic deformation, a Gurson-type model is considered to describe the nucleation and growth of voids. Completed by appropriate evolution equations of the microstructure, this model of plasticity is used to update the elastic properties that are described by a mean-field homogenization scheme. The complete incremental model is implemented numerically and applied to the prediction of the stiffness loss. The model predictions are in very good agreement with experimental results on Al-SiC composites, cast irons and steel composites

Analysis of As-Built Microstructures and Recrystallization Phenomena on Inconel 625 Alloy Obtained via Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)

The microstructures induced by the laser-powder bed fusion (L-PBF) process have been widely investigated over the last decade, especially on austenitic stainless steels (AISI 316L) and nickel-based superalloys (Inconel 718, Inconel 625). However, the conditions required to initiate recrystallization of L-PBF samples at high temperatures require further investigation, especially regarding the physical origins of substructures (dislocation densities) induced by the L-PBF process. Indeed, the recrystallization widely depends on the specimen substructure, and in the case of the L-PBF process, the substructure is obtained during rapid solidification. In this paper, a comparison is presented between Inconel 625 specimens obtained with different laser-powder bed fusion (L-PBF) conditions. The effects of the energy density (VED) values on as-built and heat-under microstructures are also investigated. It is first shown that L-PBF specimens created with high-energy conditions recrystallize earlier due to a larger density of geometrically necessary dislocations. Moreover, it is shown that lower energy densities offers better tensile properties for as-built specimens. However, an appropriate heat treatment makes it possible to homogenize the tensile properties

Experimental study and micromechanical modelling of the effective elastic properties of Fe–TiB2 composites

The aim of this paper is to investigate the effective properties of Fe–TiB2 composites obtained after hot or cold rolling. The elastic moduli of both hot and cold rolled composites are measured experimentally using several methods. Microstructure analyses based on SEM observations are performed to characterize the distribution of particles and cracks, and are then used to generate 3D representative microstructures using the RSA method. This allows the numerical determination of the overall elastic behavior of Fe–TiB2 composites using full-field FFT-based simulations. In addition, Young’s moduli of the hot rolled Fe–TiB2 composites are also determined analytically using the mean-field homogenization scheme of Mori–Tanaka. The elastic properties determined experimentally, analytically and numerically are in a good agreement. Overall, a significant improvement of the specific stiffness in comparison to standard steels is achieved irrespective of the processing condition

Influence of the temperature on the tensile behaviour of a modified 9Cr–1Mo T91 martensitic steel

peer reviewedThe tensile behaviour of a modified 9Cr–1Mo T91 martensitic steel is investigated for temperatures between 300 and 700 K. Loading/unloading tensile tests are carried out to investigate the evolution of the tensile flow parameters and the different flow stress components with temperature. An increase in temperature reduces the ductility and the ultimate tensile stress. Three different deformation mechanisms are operative depending on the temperature. These mechanisms are discussed in terms of activation volume, dislocation motion and dynamic strain ageing

Amorçage de la fragilisation par métal liquide du Cu-30% Zn en contact avec l'eGaIn

National audienceUn métal ou alliage métallique solide ductile qui est déformé plastiquement en présence d’un métal liquide peut présenter une fragilisation par les métaux liquides (FML), ce qui entraine une diminution drastique de sa ductilité et un mode de rupture fragile. L’apparition de la FML dépend de la présence d’un contact direct entre métal liquide et alliage métallique. Celui-ci est influencé, entre autres, par la formation éventuelle d’intermétalliques entre le liquide et le solide. De même, plusieurs paramètres mécaniques, tel que la vitesse de déformation, les champs de contraintes et de déformation, jouent un rôle sur l’apparition pu pas de la FML.Dans cette étude, on a considéré différents essais mécaniques (essais de flexion avec différents types d’appuis, essai Small Punch Test (SPT)), différentes géométries d’éprouvette (avec et sans entaille) et différentes vitesses de déformation afin d’observer, pour l’alliage Cu-30%Zn, les conditions d’amorçage d’une rupture ductile à l’air et d’une fracture ductile et/ou fragile en contact avec l’eutectique Ga-In (eGaIn), qui est liquide à température ambiante. Les essais mécaniques ont été menés à l’air et en présence de eGaIn et les facies de rupture ont été observés par microscopie électronique à balayage pour identifier les modes de rupture. L’intermétallique entre l’alliage Cu-Zn et l’eGaIn a été observé à différents temps de contact et caractérisé. Pour chaque condition de sollicitation mécanique (essai mécanique, vitesse de déformation, géométrie d’éprouvette), la distribution des contraintes et des déformations ainsi que la vitesse de déformation ont été calculées par simulation numérique par la méthode des éléments finis.On a observé que, dans ce système, la FML n’apparait que pour certaines conditions considérées. En effet la FML est observée seulement pour les échantillons entaillés, l‘entaille entrainant une concentration importante de contraintes. De plus, même dans les conditions où la FML est observée, une rupture ductile est toujours observée avant la rupture fragile. Le lien entre conditions d’amorçage de la fissure ductile à l’air et FML est étudié, notamment à travers l’influence de la vitesse de déformation. La formation de l’intermétallique CuGa2 n’empêche pas l’apparition de la FML, même pour des temps de contact métal liquide / alliage métallique relativement longs. Finalement, à partir des résultats des simulations numériques, obtenus pour les différentes conditions, les valeurs des contraintes, des déformations et des vitesses de déformation sont prises en compte pour expliquer les conditions d’apparition de la FML

Fragilisation par métal liquide du cuivre et de laitons alpha en contact avec l'eutectique Ga-In

National audienceLors de la fragilisation par les métaux liquides (FML), un métal ou un alliage solide subit une perte de ductilité lorsqu'il est soumis à une déformation plastique en contact avec un métal liquide. Ce phénomène dépend fortement de la composition chimique des métaux impliqués, et donc une modification des éléments d'alliage du métal solide peut empêcher ou favoriser l'apparition de la FML. De plus, les conditions de sollicitation mécanique, le mouillage du métal solide par le métal liquide et les caractéristiques mécaniques et métallurgiques du métal ou de l’alliage métallique solide jouent également un rôle important sur la FML. La FML du cuivre et des laitons Cu-15 %Zn et Cu-30 %Zn par le métal liquide Ga-In eutectique (eGaIn) est étudiée afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu et notamment l’influence de la déformation plastique. Un contact intime étant nécessaire pour que la FML se produise, des tests d’angle de contact ont été effectués sur les trois matériaux considérés afin de mesurer la capacité de mouillage de l'eGaIn sur chacun d’entre eux. Ensuite, des essais de flexion 3 points sur éprouvettes entaillées ont été réalisés à l’air et en présence de l'eGaIn à différentes vitesses de déplacement. Les faciès de rupture et la fissuration des échantillons testés ont été observés par microscopie électronique à balayage (MEB). Une simulation numérique par éléments finis de l’essai a été développée pour interpréter les résultats notamment en terme de concentration de contrainte et de déformation. Les essais de flexion ont montré qu'il n'y a eu aucun effet de l'eGaIn sur le comportement mécanique du cuivre pur et du laiton à 15% de Zn. Cependant, sur le laiton à 30% de Zn, une fragilisation est observée lorsque l'échantillon est testé en contact avec l'eGaIn. Dans ce cas, le faciès de rupture est tout d’abord ductile sur une faible zone, puis fragile. Ces résultats sont concordants avec ceux des mesures de mouillage car, en effet, il a été observé que l'angle de contact diminue à mesure que le taux de zinc dans le matériau augmente. Aucune influence de la vitesse de déformation n’est observée sur l’apparition de la FML. Néanmoins l’état métallurgique semble un paramètre important qui doit être expliqué à travers la détermination des champs de contraintes et de déformations obtenus par simulation numérique

Fragilisation par métal liquide du cuivre et de laitons alpha en contact avec l'eutectique Ga-In

National audienceLors de la fragilisation par les métaux liquides (FML), un métal ou un alliage solide subit une perte de ductilité lorsqu'il est soumis à une déformation plastique en contact avec un métal liquide. Ce phénomène dépend fortement de la composition chimique des métaux impliqués, et donc une modification des éléments d'alliage du métal solide peut empêcher ou favoriser l'apparition de la FML. De plus, les conditions de sollicitation mécanique, le mouillage du métal solide par le métal liquide et les caractéristiques mécaniques et métallurgiques du métal ou de l’alliage métallique solide jouent également un rôle important sur la FML. La FML du cuivre et des laitons Cu-15 %Zn et Cu-30 %Zn par le métal liquide Ga-In eutectique (eGaIn) est étudiée afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu et notamment l’influence de la déformation plastique. Un contact intime étant nécessaire pour que la FML se produise, des tests d’angle de contact ont été effectués sur les trois matériaux considérés afin de mesurer la capacité de mouillage de l'eGaIn sur chacun d’entre eux. Ensuite, des essais de flexion 3 points sur éprouvettes entaillées ont été réalisés à l’air et en présence de l'eGaIn à différentes vitesses de déplacement. Les faciès de rupture et la fissuration des échantillons testés ont été observés par microscopie électronique à balayage (MEB). Une simulation numérique par éléments finis de l’essai a été développée pour interpréter les résultats notamment en terme de concentration de contrainte et de déformation. Les essais de flexion ont montré qu'il n'y a eu aucun effet de l'eGaIn sur le comportement mécanique du cuivre pur et du laiton à 15% de Zn. Cependant, sur le laiton à 30% de Zn, une fragilisation est observée lorsque l'échantillon est testé en contact avec l'eGaIn. Dans ce cas, le faciès de rupture est tout d’abord ductile sur une faible zone, puis fragile. Ces résultats sont concordants avec ceux des mesures de mouillage car, en effet, il a été observé que l'angle de contact diminue à mesure que le taux de zinc dans le matériau augmente. Aucune influence de la vitesse de déformation n’est observée sur l’apparition de la FML. Néanmoins l’état métallurgique semble un paramètre important qui doit être expliqué à travers la détermination des champs de contraintes et de déformations obtenus par simulation numérique

Amorçage de la fragilisation par métal liquide du Cu-30% Zn en contact avec l'eGaIn

National audienceUn métal ou alliage métallique solide ductile qui est déformé plastiquement en présence d’un métal liquide peut présenter une fragilisation par les métaux liquides (FML), ce qui entraine une diminution drastique de sa ductilité et un mode de rupture fragile. L’apparition de la FML dépend de la présence d’un contact direct entre métal liquide et alliage métallique. Celui-ci est influencé, entre autres, par la formation éventuelle d’intermétalliques entre le liquide et le solide. De même, plusieurs paramètres mécaniques, tel que la vitesse de déformation, les champs de contraintes et de déformation, jouent un rôle sur l’apparition pu pas de la FML.Dans cette étude, on a considéré différents essais mécaniques (essais de flexion avec différents types d’appuis, essai Small Punch Test (SPT)), différentes géométries d’éprouvette (avec et sans entaille) et différentes vitesses de déformation afin d’observer, pour l’alliage Cu-30%Zn, les conditions d’amorçage d’une rupture ductile à l’air et d’une fracture ductile et/ou fragile en contact avec l’eutectique Ga-In (eGaIn), qui est liquide à température ambiante. Les essais mécaniques ont été menés à l’air et en présence de eGaIn et les facies de rupture ont été observés par microscopie électronique à balayage pour identifier les modes de rupture. L’intermétallique entre l’alliage Cu-Zn et l’eGaIn a été observé à différents temps de contact et caractérisé. Pour chaque condition de sollicitation mécanique (essai mécanique, vitesse de déformation, géométrie d’éprouvette), la distribution des contraintes et des déformations ainsi que la vitesse de déformation ont été calculées par simulation numérique par la méthode des éléments finis.On a observé que, dans ce système, la FML n’apparait que pour certaines conditions considérées. En effet la FML est observée seulement pour les échantillons entaillés, l‘entaille entrainant une concentration importante de contraintes. De plus, même dans les conditions où la FML est observée, une rupture ductile est toujours observée avant la rupture fragile. Le lien entre conditions d’amorçage de la fissure ductile à l’air et FML est étudié, notamment à travers l’influence de la vitesse de déformation. La formation de l’intermétallique CuGa2 n’empêche pas l’apparition de la FML, même pour des temps de contact métal liquide / alliage métallique relativement longs. Finalement, à partir des résultats des simulations numériques, obtenus pour les différentes conditions, les valeurs des contraintes, des déformations et des vitesses de déformation sont prises en compte pour expliquer les conditions d’apparition de la FML