Behavior, damage and fatigue life assessment of lost foam casting aluminum alloys under thermo-mechanical fatigue conditions

AbstractThe purpose of this paper is to define a thermomechanical fatigue criterion in order to predict the failure of the cylinder heads issued with the lost foam casting process. The microstructure of the materials (A356-A319) is affected by the lost foam casting process which can directly affect the mechanical properties, the damage mechanisms and thefatigue failure of the materials. The major problem in defining a predictive fatigue criterion in this case is the fact that it should be on one side applicable for the structure which is submitted to complex multiaxial thermomechanical loadings and on the other side should take into account the microstructural effects of casting process

Détermination d'une nouvelle loi de comportement élasto-viscoplastique pour une fonte à graphite sphéroidal. Application au dimensionnement à la fatigue oligocyclique d'un collecteur d'échappement de moteur diesel automobile

National audienceLe travail présenté ici porte sur le développement d'une nouvelle loi de comportement mécanique élastoviscoplastique. Cette dernière est développée dans le but de dimensionner à la fatigue thermomécanique des structures de l'industrie automobile travaillant à hautes températures en décrivant au mieux la viscosité sur une large gamme de sollicitation. Ce nouveau modèle a été implémenté dans le code Abaqus en se basant sur l'algorithme du retour radial. Des simulations thermomécaniques ont été ensuite réalisées sur des collecteurs d'échappement et ont permis de prédire la tenue dimensionnelle ainsi que les zones à risque du point de vue fissuration

Mise au point d'un nouveau modèle de comportement élasto-viscoplastique. Application au dimensionnement à la fatigue d'un collecteur d'échappement de moteur Diesel en fonte

National audienceFatigue design of structures for high temperature service resorts to modelling based on elasto-viscoplasticity constitutive laws. The new model describes complex anisothermal cyclic loadings, accounting for viscosity on a large range of strain. The new constitutive law that has been developed for nodular cast iron, is intended for the design of automotive parts for high temperature service

Détermination d'une nouvelle loi de comportement élasto-viscoplastique pour une fonte à graphite sphéroïdal. Application au dimensionnement à la fatigue oligocyclique d'un collecteur d'échappement de moteur Diesel

Le travail présenté ici porte sur le développement d'une nouvelle loi de comportement mécanique élasto-viscoplastique. Cette dernière est développée dans le but de dimensionner à la fatigue thermomécanique des structures de l'industrie automobile travaillant à hautes températures en décrivant au mieux la viscosité sur une large gamme de sollicitation. Ce nouveau modèle a été implémenté dans le code Abaqus en se basant sur l'algorithme du retour radial. Des simulations thermomécaniques ont été ensuite réalisées sur des collecteurs d'échappement et ont permis de prédire la tenue dimensionnelle ainsi que les zones à risque du point de vue fissuration

Decellularized vascularized bone grafts: A preliminary in vitro porcine model for bioengineered transplantable bone shafts

Introduction: Durable reconstruction of critical size bone defects is still a surgical challenge despite the availability of numerous autologous and substitute bone options. In this paper, we have investigated the possibility of creating a living bone allograft, using the perfusion/decellularization/recellularization (PDR) technique, which was applied to an original model of vascularized porcine bone graft.Materials and Methods: 11 porcine bone forelimbs, including radius and ulna, were harvested along with their vasculature including the interosseous artery and then decellularized using a sequential detergent perfusion protocol. Cellular clearance, vasculature, extracellular matrix (ECM), and preservation of biomechanical properties were evaluated. The cytocompatibility and in vitro osteoinductive potential of acellular extracellular matrix were studied by static seeding of NIH-3T3 cells and porcine adipose mesenchymal stem cells (pAMSC), respectively.Results: The vascularized bone grafts were successfully decellularized, with an excellent preservation of the 3D morphology and ECM microarchitecture. Measurements of DNA and ECM components revealed complete cellular clearance and preservation of ECM’s major proteins. Bone mineral density (BMD) acquisitions revealed a slight, yet non-significant, decrease after decellularization, while biomechanical testing was unmodified. Cone beam computed tomography (CBCT) acquisitions after vascular injection of barium sulphate confirmed the preservation of the vascular network throughout the whole graft. The non-toxicity of the scaffold was proven by the very low amount of residual sodium dodecyl sulfate (SDS) in the ECM and confirmed by the high live/dead ratio of fibroblasts seeded on periosteum and bone ECM-grafts after 3, 7, and 16 days of culture. Moreover, cell proliferation tests showed a significant multiplication of seeded cell populations at the same endpoints. Lastly, the differentiation study using pAMSC confirmed the ECM graft’s potential to promote osteogenic differentiation. An osteoid-like deposition occurred when pAMSC were cultured on bone ECM in both proliferative and osteogenic differentiation media.Conclusion: Fully decellularized bone grafts can be obtained by perfusion decellularization, thereby preserving ECM architecture and their vascular network, while promoting cell growth and differentiation. These vascularized decellularized bone shaft allografts thus present a true potential for future in vivo reimplantation. Therefore, they may offer new perspectives for repairing large bone defects and for bone tissue engineering

Nouveaux modèles de comportement élasto-viscoplastique pour des matériaux métalliques. Application au dimensionnement de structures automobiles.

Our main goal was to propose new macroscopic models in order to describe the elasto-viscoplastic behavior of metallic materials on a wide range of temperature and strain. Indeed, in an industrial point of view, the design of hot components such as exhaust manifolds for Diesel engine should be quick and predictive. Behavior laws play an important part in the design process as loads multiaxiality and anisothermal environment lead to a major impact of viscosity. Even if the choice of spheroidal graphite cast-iron is mainly motivated for such structure for reasons of cost or weight, this material is quite complex and presents a very viscoplastic behavior from 500°C. Exhaust manifold are subjected to two main design constraints: avoid crack initiation and avoid gas leakages due to inelastic strain concentration. Two models, combined with brand new experimental strategy have been proposed. Cyclic hardening tests and progressive straining tests enabled us to observe the alloy behavior on a wide range of strain, strain rate and temperature. These two macroscopic models, whose equations are based on physical phenomena observed at the dislocation scale, are thus able to cope with the various load conditions tested and to correctly described anisothermal evolution. FEM simulations confirm the good results obtained for the experimental basis and one can obtain more accurate results than those given by more traditional laws. A very good correlation is obtained between the simulations and the engine bench tests. Finally, the proposed models combined with enriched experimental database give a better representation of the viscoplasticity of cast-iron for very acceptable numerical cost.L'objectif principal de cette étude est de proposer des lois de comportement macroscopiques permettant de décrire la viscosité de matériaux métalliques sur une large gamme de température et de vitesse de déformation. En effet, dans un contexte industriel fortement concurrentiel, le dimensionnement de structures comme le collecteur d'échappement des moteurs Diesel doit être rapide et prédictif. Les lois de comportement des matériaux jouent un rôle capital dans ce processus de dimensionnement. En effet, la multiaxialité et le caractère anisotherme des chargements appliqués aux collecteurs d'échappement induisent un comportement élastoviscoplastique du matériau et in fine de la structure. Bien qu'elles répondent aux principales exigences de coût, de masse et d'usinabilité, les fontes à graphite sphéroïdal, très souvent choisies comme matériau constitutif de ces pièces, ont un comportement complexe marqué par une très forte viscosité à hautes températures. Ainsi, les structures comme le collecteur d'échappement sont soumises principalement à deux contraintes lors de leur dimensionnement : - La prévention de tout risque d'amorçage de fissure lors de leur durée de vie nominale. On doit ainsi développer des méthodes de dimensionnement à la fatigue thermomécanique oligocyclique car ce sont les cycles de démarrage-arrêt du moteur qui sont endommageant pour la structure. - La prévention de tout risque de fuite et de dérives dimensionnelles. En effet, la succession de cycles thermomécaniques sévères peut induire une accumulation de déformation inélastique dans certaines zones de la structure et alors engendrer de fortes déformées globales. Ces "dérives" peuvent alors être à l'origine de défaut d'étanchéité et de perte de gaz d'échappement. Si une méthodologie efficace pour dimensionner les structures à l'initiation de fissure existait d'ores et déjà dans les bureaux d'études de PSA Peugeot Citroën, la prise en compte des phénomènes de dérives dimensionnelles restait un sujet peu exploré mais néanmoins crucial. En effet, les structures fonctionnent de plus en plus souvent à la limite de leurs capacités et une modélisation efficace de leur comportement permettrait des calculs de dimensionnement prédictifs tout en diminuant les temps de conception. De nombreuses solutions sont envisagées dans la littérature afin de modéliser le comportement élastoviscoplastique de matériau comme la fonte à graphite sphéroïdal. Leur capacité à bien décrire l'évolution d'un matériau soumis à des chargements complexes n'est que rarement avérée pour une large gamme de vitesses de déformation mécanique et inélastique. Par ailleurs, elle dépend fortement de la base expérimentale grâce à laquelle les paramètres de la loi ont été identifiés. Nous nous sommes donc attachés, au cours de cette étude, à constituer des bases expérimentales originales, composées d'essais (écrouissage cyclique, déformation progressive à vitesse constante ou Slow-Fast) qui ont permis de mieux comprendre le comportement de la fonte pour des températures variées (de l'ambiante à 700°C) et des niveaux de déformation multiples. En sollicitant le matériau sur de larges gammes de vitesses de déformation notamment inélastique, ils ont contribué à constituer une base de données souvent plus riche que celles que l'on trouve dans la littérature pour un nombre d'essais et donc un temps de développement réduit. Deux modélisations ont alors été proposées pour décrire le comportement élastoviscoplastique d'une fonte à graphite sphéroïdal particulière : la fonte SiMo. La première d'entre elles se base sur un potentiel visqueux innovant décrivant l'évolution de l'écoulement à l'échelle macroscopique en s'inspirant de la physique à l'échelle des dislocations et de la plasticité cristalline. En combinant différents termes valant pour différents régimes de températures, elle a permis de bien décrire la majorité des essais d'écrouissage cyclique et notamment les cinétiques de relaxation. Constituée de 7 paramètres par température identifiée (soit un de plus que les lois utilisées jusqu'alors par PSA Peugeot Citroën), dont l'évolution avec la température est physiquement ! réaliste, elle ne permet toutefois pas de bien décrire les essais réalisés à vitesse lente ou pour de faibles niveaux de déformation. La seconde loi a donc été développée à partir du même potentiel visqueux enrichi pour réduire la viscoplasticité pour les faibles déformations. Couplée à un terme d'écrouissage isotrope, cette nouvelle loi d'écoulement a permis de corriger les principaux défauts de la première modélisation proposée ainsi que de bien décrire l'ensemble des essais de la base expérimentale. Composée de 11 paramètres, obtenus grâce à une stratégie d'identification adaptée et rapide, elle permet une très bonne description des phénomènes visqueux et est capable de reproduire des essais anisothermes représentatifs des sollicitations sur collecteur avec bien plus d'acuité que les lois de référence utilisées par PSA Peugeot Citroën. Les deux lois de comportement, dont l'admissibilité thermodynamique a été vérifiée, ont été intégrées dans un schéma de calcul de structure. Leur implémentation numérique est fondée sur un algorithme implicite de type retour radial permettant d'obtenir des temps de calcul compatibles avec les exigences des bureaux d'études. Ces modélisations ont ensuite été validées sur deux architectures de collecteur d'échappement et la faisabilité de calculs rapides de collecteur d'échappement sous chargement thermique transitoire a alors été démontrée. Différents calculs de type éléments finis ont permis de démontrer l'amélioration certaine apportée par les lois proposées par rapport aux lois de référence pour déterminer la déformée globale de la structure et pour prévenir d'éventuelles fuites de gaz d'échappement. Ces mêmes calculs ont également permis de montrer que l'utilisation de ces deux nouvelles lois était compatible avec le critère de dimensionnement à la fatigue oligocyclique utilisé chez PSA. On peut donc maintenant prendre efficacement en compte, grâce aux modélisations proposées, les deux contraintes de dimensionnement des collecteurs d'échappement dès les calculs en bureaux d'études et ainsi diminuer les temps et les coûts de développement de telles structures

PROBABILISTIC THERMOMECHANICAL FATIGUE CRITERIA FOR SPHEROIDAL GRAPHITE CAST-IRONS

International audienceThis paper proposes a method to establish and identify a probability density function characterizing the low-cycle fatigue lifetime for a cast-iron between 300 and 600°C. The method is initiated with a quantitative analysis of the microstructure of the material, which provides the initial probability distribution of graphite particles size. After identifying a given probability density function of particles, one can transport it into a lifetime probability density function using a growth law involving a macroscopic measure of the inelastic loading over a cycle. Several parameters of the growth law are finally estimated from a given set of fatigue experiments on specimens providing a criterion enabling a very satisfying matching between computed and experimental lifetime

Constitutive models for bcc engineering iron alloys exposed to thermal-mechanical fatigue

International audienceThe progress in designing high temperature components relies on more accurate viscoplastic constitutive models. The capability of various models under high temperature and variable temperature conditions is investigated for two body centred cubic alloys, cast iron and ferritic stainless steel. Improvements are shown to overcome problems encountered by standard viscoplastic models. Firstly a physically based modified flow equation predicts reliably the behaviour of cast iron under thermal-mechanical loading. Secondly further improvement is proposed drawing on dislocation models to describe static recovery effects in stainless steels. Good agreement is thus obtained between experiment and model prediction under various thermal mechanical loading path

An implicit integration procedure for an elasto-viscoplastic model and its application to thermomechanical fatigue design of automotive parts

International audienceThermomechanical fatigue (TMF) design has nowadays become essential for many industrial parts and cyclic elasto-viscoplastic constitutive models and their numerical integration are the crucial point of the problem. The paper first presents an implicit time integration scheme for an advanced constitutive model. This scheme is based on the return-mapping algorithm and proposes a use of the viscoplastic multiplier which enables to avoid Jacobian matrixes inversion and high computational cost. This peculiar numerical model is then integrated in a comprehensive computational TMF lifetime approach. The couple is shown to give the best agreement in terms of TMF lifetime estimation when compared with more simple TMF design approaches and an other constitutive model

Probabilistic Low Cycle Fatigue criterion for nodular cast-irons

International audienceThis paper proposes an original method for characterising the Low Cycle Fatigue (LCF) lifetime using probability density functions. The protocol is based on statistics of microstructure heterogeneities taken as damage initiation sites, a qualitative mechanical analysis of the heterogeneities harmfulness and the definition of a micro-crack growth law. The technique is here established and the associated model identified for a nodular cast iron where the graphite nodules are assumed to be the damage initiation zones. The LCF lifetime is characterised from both a large set of experimental test between 300 and 600 • C and damage observations at the micro-scale. Experimental post-mortem observation combined with a simple numerical study first enable to assume the harmfulness of nodules according to their size and their probable role in the damage process A probability density function for the lifetime is then built from the following steps: (i) a quantitative analysis of the material micro-structure, which provides the probability density of nodules occurrence depending of their size (ii) an extreme value analysis using a Gumbel distribution and (iii) a micro-crack growth law associated with LCF conventional terms of energy densities. Its parameters are obtained using an optimisation process applied to laboratory fatigue experiment. The obtained probability function provides a good match for the lifetime and greatly improves results given by conventional criteria. It moreover provides a robust estimate of the lifetime scatter for different types of fatigue tests