Caractérisation par mesure de champ de l'hétérogénéité de comportement de cordon de soudure en alliage P91 et identification des paramètres de loi de comportement

National audienceCe premier travail s'inscrit dans le cadre du développement d'une méthodologie basée sur l'identification des mécanismes élémentaires, responsables de la déformation et de l'endommagement par fluage de matériaux polycristallins en relation avec leurs hétérogénéités microstructurales. Cette étude concerne l'acier P91, matériau potentiellement utilisé dans des applications de tenue mécanique à chaud dans le cadre des centrales thermiques à flamme et dans les centrales nucléaires de 4ème génération. Cette méthodologie repose sur l'utilisation de techniques de mesure de champs cinématiques par corrélation d'images, couplées à des simulations numériques par éléments finis afin d'optimiser des paramètres de lois de comportement de matériaux La première application concerne l'étude de structures soudées en P91 sollicitées en traction uniaxiale, afin de caractériser le comportement du cordon de soudure à l'échelle macroscopique où le gradient des propriétés mécaniques dû au soudage est observable. Une technique de microlithographie sera ensuite mise en oeuvre pour caractériser les mécanismes de glissement intergranulaire lors d'essai de fluage, en différentes zones du joint soudé

Imaging of 316H SENT creep sample subjected to oxidation at high temperature

International audienc

Intergranular creep crack monitoring in 316H using Digital Image Correlation

International audienceAt elevated temperature (550°C) intergranular creep cracks have been observed in thermally and environmentally aged 316H stainless steel. To improve the understanding of mechanisms responsible of creep cracking, micromechanical experiments are proposed. An identification procedure of the crack tip position based on kinematic measurements is presented. Finite element simulations of intergranular cracks in bycristals have been performed and used as test fields to deform experimental images and to validate the image processing used for the identification

Micro-mechanical failure model of a ferritic-bainitic steel : consequence and interests of a dual-phase polycrystalline model

Une méthodologie de calcul du comportement plastique et de la rupture d'un acier de cuve de réacteur nucléaire à eau pressurisée est proposée dans ce travail. Une approche micromécanique est adoptée, basée sur des calculs d'homogénéisation en champs moyens ou sur des calculs d'agrégats obtenus par tesselation de Voronoi. Une loi de comportement de plasticité cristalline à base physique est adoptée, permettant de modéliser le comportement du fer pur et de l'acier de cuve sur une large gamme de température. Le modèle de rupture se base sur l'expression d'une contrainte de Griffith sur des carbures dont la distribution est formulée à partir de données expérimentales, la probabilité de rupture étant alors calculée par une méthode de Monte-Carlo. Ce type d'approche permet de s'intéresser aux sites d'amorçage de la rupture, en lien avec les hétérogénéités microstructurales (par exemple les interfaces ferrite-bainite). Une comparaison est également présentée entre les fonctions de répartition de probabilité de rupture obtenues pour des agrégats monophasés et biphasés de même comportement plastique effectif

Identification élastoplastique locale à l'aide d'une méthode variationnelle

Dans ce papier, nous présentons l'application d'une méthode variationnelle à l'identification de distributions de propriétés matérielles. Cette méthode, basée sur l'écart en relation de comportement, a été précédemment utilisée par Geymonat et al. (2002), dans le cadre d'un comportement élastique linéaire. Dans ce qui suit, cette méthode a été étendue à une classe de comportements élastoplastiques à écrouissage cinématique linéaire. Elle permet d'identifier localement 5 paramètres à partir de mesures surfaciques de déplacement lors d'un essai unique. Après un bref exposé du principe de la méthode nous présentons sa mise en oeuvre numérique puis un exemple d'application

Couplage entre mesures de champs et calculs de plasticité cristalline à la surface de polycristaux d'acier austénitique

Des mesures de champs 2D sont réalisées par Corrélation d'Images Numériques (CIN) à la surface de polycristaux d'acier austénitique 316LN à partir d'une série d'images acquises au Microscope Electronique à Balayage (MEB) au cours d'essais de traction in-situ. La corrélation d'images utilise dans cette étude un maillage éléments finis non-structuré s'appuyant sur les interfaces de la microstructure et construit à partir d'une analyse EBSD. La simulation de chaque essai avec un modèle local de plasticité cristalline est ensuite réalisée en utilisant ce même maillage et les déplacements mesurés sur le bord du domaine comme conditions aux limites. Différentes comparaisons entre la mesure et la simulation peuvent alors être menées, que ce soit en termes de champs cinématiques mais aussi de systèmes de glissement activés. Enfin, une méthode inverse d'identification des paramètres de loi est proposée, se basant sur le recalage à la fois des champs de déplacements locaux et du comportement homogène du matériau

On the use of simulated experiments in designing tests for material characterization from full-field measurements

The present paper deals with the use of simulated experiments to improve the design of an actual mechanical test. The analysis focused on the identification of the orthotropic properties of composites using the unnotched Iosipescu test and a full-field optical technique, the grid method. The experimental test was reproduced numerically by finite element analysis and the recording of deformed grey level images by a CCD camera was simulated trying to take into account the most significant parameters that can play a role during an actual test, e.g. the noise, the failure of the specimen, the size of the grid printed on the surface, etc. The grid method then was applied to the generated synthetic images in order to extract the displacement and strain fields and the Virtual Fields Method was finally used to identify the material properties and a cost function was devised to evaluate the error in the identification. The developed procedure was used to study different features of the test such as the aspect ratio and the fibre orientation of the specimen, the use of smoothing functions in the strain reconstruction from noisy data, the influence of missing data on the identification. Four different composite materials were considered and, for each of them, a set of optimized design variables was found by minimization of the cost function

Identification of plastic constitutive parameters at large deformations from three dimensional displacement fields

The aim of this paper is to provide a general procedure to extract the constitutive parameters of a plasticity model starting from displacement measurements and using the Virtual Fields Method. This is a classical inverse problem which has been already investigated in the literature, however several new features are developed here. First of all the procedure applies to a general three-dimensional displacement field which leads to large plastic deformations, no assumptions are made such as plane stress or plane strain although only pressure-independent plasticity is considered. Moreover the equilibrium equation is written in terms of the deviatoric stress tensor that can be directly computed from the strain field without iterations. Thanks to this, the identification routine is much faster compared to other inverse methods such as finite element updating. The proposed method can be a valid tool to study complex phenomena which involve severe plastic deformation and where the state of stress is completely triaxial, e.g. strain localization or necking occurrence. The procedure has been validated using a three dimensional displacement field obtained from a simulated experiment. The main potentialities as well as a first sensitivity study on the influence of measurement errors are illustrated

Failure analysis using X-ray computed tomography of composite sandwich panels subjected to full-scale blast loading

The tailorable mechanical properties and high strength-to-weight ratios of composite sandwich panels make them of interest to the commercial marine and naval sector, however, further investigation into their blast resilience is required. The experiments performed in this study aimed to identify whether alterations to the composite skins or core of a sandwich panel can yield improved blast resilience both in air and underwater. Underwater blast loads using 1.28 kg TNT equivalent charge at a stand-off distance of 1 m were performed on four different composite sandwich panels. Results revealed that implementing a stepwise graded density foam core, with increasing density away from the blast, reduces the deflection of the panel and damage sustained. Furthermore, the skin material affects the extent of panel deflection and damage, the lower strain to failure of carbon-fibre reinforced polymer (CFRP) skins reduces deflection but increases skin debonding. A further two panels were subjected to a 100 kg TNT air blast loading at a 15 m stand-off to compare the effect of a graded density core and the results support the underwater blast results. Future modelling of these experiments will aid the design process and should aim to include material damage mechanisms to identify the most suitable skins

Sandwich Panel Cores for Blast Applications: Materials and Graded Density

Sandwich composites are of interest in marine applications due to their high strength-to-weight ratio and tailorable mechanical properties, but their resistance to air blast loading is not well understood. Full-scale 100 kg TNT equivalent air blast testing at a 15 m stand-off distance was performed on glass-fibre reinforced polymer (GFRP) sandwich panels with polyvinyl chloride (PVC); polymethacrylimid (PMI); and styrene acrylonitrile (SAN) foam cores, all possessing the same thickness and density. Further testing was performed to assess the blast resistance of a sandwich panel containing a stepwise graded density SAN foam core, increasing in density away from the blast facing side. Finally a sandwich panel containing compliant polypropylene (PP) fibres within the GFRP front face-sheet, was subjected to blast loading with the intention of preventing front face-sheet cracking during blast. Measurements of the sandwich panel responses were made using high-speed digital image correlation (DIC), and post-blast damage was assessed by sectioning the sandwich panels and mapping the damage observed. It was concluded that all cores are effective in improving blast tolerance and that the SAN core was the most blast tolerant out of the three foam polymer types, with the DIC results showing a lower deflection measured during blast, and post-blast visual inspections showing less damage suffered. By grading the density of the core it was found that through thickness crack propagation was mitigated, as well as damage in the higher density foam layers, thus resulting in a smoother back face-sheet deflection profile. By incorporating compliant PP fibres into the front face-sheet, cracking was prevented in the GFRP, despite damage being present in the core and the interfaces between the core and face-sheets