Le calcul de structures en présence de vieillissement statique ou/et dynamique d'alliages métalliques

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.International audienceLes phénomènes de Portevin Le Chatelier (effet PLC) et de Lüders sont très fréquents, dans les aciers et les alliages d'aluminium. Ils se présentent sous la forme d'instabilités sur la courbe de traction (Jaoul, 2008) et sont le résultat de l'interaction d'atomes de solutés avec les dislocations mobiles ou immobilisées au sein du matériau. Ils se manifestent lorsque les constantes de temps de la diffusion des solutés et de la plasticité microscopique sont du même ordre de grandeurs. Ils ont fait l'objet d'une quantité considérable de travaux en métallurgie physique dans les 60 dernières années, conduisant à des modélisations physiques satisfaisantes. Au contraire, les ingénieurs en calculs de structures ne prennent généralement pas ces phénomènes en compte dans l'établissement de la loi de comportement, préférant introduire un lissage des courbes de traction ou des courbes minimales. Une croyance commune consiste à penser que l'effet PLC ou le pic de Lüders n'existent que pour les essais de traction en raison de l'´etat apparemment homogène de contrainte ou de déformation imposée. En fait, les instabilités viscoplastiques de type PLC se produisent également dans les zones de concentration de contraintes que sont les perforations, les inclusions et les fissures. Si le développement des bandes de localisation reste confiné dans une telle zone de l'´eprouvette, on n'observe pas nécessairement de perturbations sur la courbe de charge globale. Les effets de la localisation de la déformation existent toutefois bel et bien dans certaines zones de la pièce. Le vieillissement dynamique ne se caractérise pas nécessairement par la présence d'irrégularités sur la courbe de traction. Il peut se traduire également par une sensibilité faible voire négative à la vitesse de déformation dans un certain domaine de température. Il se manifeste également de manière plus insidieuse par des réponses en fluage ou en relaxation inattendues. En fait, la plupart des alliages métalliques et même certains métaux purs sont concernés dans un certain domaine de température et de vitesse : alliages de titane et de zirconium, superalliages à base de nickel ou de cobalt, tantale, etc. Il est donc devenu urgent de le prendre en compte en calcul des structures de façon à comprendre ou éviter certaines fragilisations apparemment inexplicables.Le calcul de structures en présence de vieillissement statique ou/et dynamique d'alliages métallique

Finite element lüders band modelling : influence of material and geometrical parameters

The sharp yield point phenomenon was discovered during 19th century by Piobert and Lüders. This latter is due to strain ageing and occurs in many metals during the transition between elastic and plastic deformation. This transition is characterized by a material instability inducing a non homogeneous plastic deformation. A band of localized plasticity nucleates at the peak stress, and propagates at a constant global stress level on the Lüders plateau. This band is generally oriented at an angle of approximately 54° with the tensile direction. At the end of this latter the deformation becomes homogeneous again. The aim of this work is to investigate the influence of the material and geometrical parameters on the nucleation and propagation of a Lüders band during finite element simulations

Influence of dynamic strain ageing on ductile fracture of a C-Mn steel

International audienceDuctile fracture of a C-Mn steel was characterised by tensile tests performed in a largetemperature range (from 20 to 350°C) on round notched specimens. The experimentalresults revealed a sharp drop of fracture strain around 250°C. This corresponds to thedomain of dynamic strain ageing (DSA) occurrence. The Portevin-Le Chatelier (PLC) effect,which is the most classical effect of DSA, was modelled on round notched specimens with amechanical behaviour model including the strain ageing effect. Local approach to fracturewas applied to predict the ductile fracture using the Rice and Tracey criterion. Thepredictions are rather close to the experimental results for the low and high temperatures. Inthe DSA domain, the approach predicts a decrease of the fracture strain but with a lowermagnitude than the experimental one. Therefore, DSA has an effect on mechanical behaviour but also on fracture mechanisms. Consequently, the fracture criterion has to bemodified in the presence of DSA

Influence de la loi de comportement sur la prévision de l'éclatement d'un disque de turbomachine

National audienceLes matériaux élastomères chargés en Noir de Carbone constituant la gomme des matériaux pneumatiques sont habituellement considérés comme homogènes à l'échelle de la structure. À une échelle plus fine, de l'ordre du micromètre ils présentent une structure hétérogène. Cette microstructure biphasée (matrice + inclusions) caractérise le mélange polymère-Noir de Carbone (NC). Les propriétés mécaniques macroscopiques du matériau élastomère chargé dépendent très fortement de ses caractéristiques microstructurales. On cherche à établir le lien existant entre les deux échelles d'étude (structure et microstructure). On identifie la microstructure par la morphologie des charges de Noir de Carbone dans la matrice polymère et par les propriétés mécaniques de chacun des constituants. On modélise ici la morphologie du matériau d'étude à l'échelle microscopique pour laquelle les deux phases sont mises en jeu (matrice polymère + NC). La modélisation choisie s'appuie sur des outils de la morphologie mathématique et a largement été étudiée dans de nombreux travaux. L'observation et la caractérisation de la microstructure à modéliser s'effectue à l'aide d'outils tels que la microscopie à transmission ou encore l'analyse d'images

Local approach applied to the fracture toughness of resistance spot welds

International audienceA recently developed methodology for measuring the nugget fracture toughness in mode I was applied to three high-strength steel resistance spot welds, exhibiting either mixed cleavage/ductile or ductile fracture at room temperature. Fracture toughness tests revealed a difference in ductile-to-brittle transition temperature between the welds. Constitutive equations of weld nuggets were determined and implemented in a finite element model of the fracture toughness test, revealing both in-plane bending and in-plane stretching in front of the crack tip. Brittle cleavage fracture of the nuggets is not conveniently described using a simple Ritchie-Knott-Rice approach but the Rice-Tracey model allowed quantitatively relating the high number density of small particles to the nugget fracture toughness in the ductile regime

3D synchrotron laminography assessment of damage evolution in blanked dual phase steels

International audienceThe mechanical performance of automotive structures made of advanced high strength steels (AHSS) is often seen reduced by the presence of cut-edges. Here an attempt is made to gain insight into the initial damage state and the damage evolution during loading of a cut-edge. This is assessed in 3D and in-situ by synchrotron laminography observation during simultaneous tensile and bending loading of a cut-edge produced by stamping. Laminography is a technique that allows to observe regions of interest in thin sheet-like objects. It is found for the DP600 laboratory steel grade that the fracture zone is very rough and that needle voids from the surface and in the material bulk follow ferrite-martensite flow lines. During loading the needle voids grow from the fracture zone surface and coalesce with voids in the bulk. The needle cracks coalesce with the burnish zone though narrow zones, called void sheets. The formed cracks are inclined by 45° compared to the load direction

Fracture behaviour of a Fe–22Mn–0.6C–0.2V austenitic TWIP steel

International audienceThe mechanical behaviour of a 22Mn-0.6C-0.2V austenitic TWIP steel has been extensively characterised for a variety of strain ratios (from shear to biaxial stretching) using smooth and notched specimens. A constitutive model involving a non-isotropic yield function together with isotropic and/or kinematic hardening satisfactorily represented the experimental database. It was used to estimate local stress and strain fields and to derive a fracture criterion based on the equivalent stress and Lode angle that were expressed to be consistent with the constitutive equations describing the plastic flow behaviour. A weak dependence on hydrostatic stress further improves prediction of fracture initiation, with an average standard error of less than 5% over ten different mechanical tests

Etude numérique paramétrique de la localisation de la déformation lors d'essais de traction

National audienceUne étude paramétrique de la localisation de la déformation lors de la simulation par éléments finis d'essais de traction est présentée ici afin d'analyser l'influence de différents paramètres numériques et matériaux sur la courbe de réponse globale et sur les propriétés géométriques (angle, taille, intensité,...) de la localisation. Abstract : A parametric study of strain localisation during finite element simulations of tensile test is presented in this work in order to investigate the influence of numerical and material parameters on the global stress/strain curve and on the geometric properties of localisation

Éclatement des disques de turbomachines

During design of turboshaft engines, regulation rules impose to manufacturers to prove integrity of rotating parts (disks and compressor impellers) by overspeed experiments : parts should burst under mechanical and thermal loads beyond the rotation speed imposed by the regulation. This requirement guarantees a safety margin of at least 20 % between burst rotation rate and operating conditions. The regulation evolution will make it possible to use numerical predictions, validated beforehand by experimental testings. Simulations, performed using large deformations elastoplastic finite element calculations, over-estimate at the moment the burst speed of disks designed in Udimet 720, a Nickel based super-alloy. More reliable predictions of burst speeds required a detailed knowledge of the elastoviscoplastic behavior of the material. The prediction of the burst speed of a rotating disk is obtained by limit analysis. Material parameters which affect the most this limit speed are provided in this work. For operating conditions the average temperature of disks is close to 500C. At this temperature, Portevin Le Chatelier (PLC) effect appears during tensile tests on specimens in Udimet 720. Simulation of this effect requires to use a model taking into account dynamic strain ageing. This model generally implies a localization of strain rate in bands. A localization analysis has been performed in order to use this model for rotating disks. Two main results are provided in this work about simulation of burst of disks designed in Udimet 720 : (i) at ambient temperature, the burst speed is mostly affected by yield criterion and ultimate stress. (ii) at high temperature (500°C), PLC effect changes the global response of disks without significantly modifying their burst rotation speed. This work forms a part of the concerted research project between Turboméca, Onéra, Snecma and the Centre des Matériaux - Mines Paris - ParisTech entitled "Durée De Vie" (service life). This project is supported by the DGA and the DPAC.Lors du dimensionnement des turbomachines, les motoristes sont tenus par la réglementation de démontrer l'intégrité des pièces tournantes (disques et compresseurs) par un essai de survitesse : la pièce ne doit pas éclater sous l'effet du chargement mécanique et thermique avant la vitesse imposée par la réglementation. Cette exigence permet de garantir une marge de s'ecurité d'au moins 20 % entre la vitesse d'éclatement et les conditions normales de fonctionnement. L'évolution réglementaire permettra à terme d'utiliser des prévisions numériques préalablement validées par des essais. Les simulations, réalisées à l'aide de calculs élastoplastiques par éléments finis en grandes déformations, surestiment à l'heure actuelle la vitesse d'éclatement pour des pièces réalisées en Udimet 720, un superalliage à base de Nickel. Une prévision plus fiable de la vitesse d'éclatement nécessite une connaissance détaillée du comportement elasto-visco-plastique et du type de rupture du matériau. La prévision de la vitesse d'éclatement d'un disque en rotation est obtenue par analyse limite. Les paramètres du matériau influents sur cette vitesse limite sont dégagés dans cette étude. En conditions normales de fonctionnement, la température moyenne des disques est proche de 500°C. A cette température, l'effet Portevin Le Chatelier (PLC) apparait lors d'essais de traction sur des éprouvettes en Udimet 720. La simulation de cet effet nécessite l'utilisation d'un modèle de comportement tenant compte du vieillissement dynamique. Ce modèe entraine généralement une localisation de la vitesse de déformation sous forme de bandes. Une analyse de localisation a été effectuée dans le but d'utiliser ce modèle pour des disques en rotation. Il est démontré dans cette thèse deux résultats principaux au sujet de la simulation de l'éclatement des disques en Udimet 720 : (i) à la température ambiante, la vitesse d'éclatement est principalement influencée par le choix du critère de plasticité et par la contrainte limite à la rupture. (ii) à haute température (500°C), l'effet PLC change la réponse globale des disques sans pour autant modifier significativement leur vitesse d'éclatement. Cette thèse constitue le thème 3 du projet de recherche concerté entre Turboméca, l'Onéra, Snecma et le Centre des Matériaux - Mines Paris - ParisTech intitulé "Durée De Vie". Ce projet est supporté financièrement par la DGA et la DPAC

Strain gradient plasticity modeling and finite element simulation of Lüders band formation and propagation

International audienceAn analytical solution of the problem of the propagation of a Lüders band in an isotropic strain gradient plasticity medium is provided based on a softening–hardening constitutive law. A detailed description is given of the plastic strain distribution in the finite size band front. The solution is shown to be harmonic in the band front and exponential in the band tail. Particular attention is paid to the conditions to be applied at the interface between both regions. This solution is then used to validate finite element simulations of the Lüders band formation and propagation in a plate in tension. The approach is shown to suppress the spurious mesh dependence exhibited by conventional finite element simulations of the Lüders behavior and to provide a finite width band front in agreement with the experimental observations from strain field measurements