SIMULATION PAR LA MÉTHODE DES ÉLÉMENTS FINIS DU COMPORTEMENT MÉCANIQUE LOCAL DES POLYCRISTAUX. COUPLAGES PHYSIQUES

International audienceL'utilisation de la méthode des Éléments Finis pour prédire le comportement local des matériaux cristallins à partir des champs mécaniques locaux, s'est développée en 1980 avec les travaux de Peirce et al. [1]. Cette approche s'est généralisée du fait de l'augmentation de la puissance de calcul, qui permet actuellement de traiter des agrégats cristallins représentatifs de matériaux comportant plusieurs centaines de grains ou phases [2]. L'intérêt des approches multicristallines est de décrire au mieux les interactions entre grains et les effets des joints de grains. Cela suppose une bonne description spatiale de la morphologie de chaque grain et de leur orientation cristallographique. Les approches cristallines couplées à la méthode des Éléments Finis prennent en compte la plasticité à l'échelle des systèmes de glissement dans les grains dont l'orientation est connue. Elles s'appuient sur des lois de comportement et d'écrouissage et permettent de décrire les hétérogénéités de champs mécaniques locaux et leur influence sur la mise en forme, les textures de déformation et de recristallisation, l'endommagement et la rupture. La performance de ces modèles est liée aux lois physiques choisies, mais aussi à la représentativité de l'agrégat cristallin, au choix du maillage et aux conditions aux limites appliquées. L'utilisation de ces approches dans des logiciels de calcul du commerce nécessite l'écriture de sous-programmes du comportement correspondant aux lois retenues

Implémentation dans le code E. F. CAST3M de la méthode de changement d'échelles Transformation field analysis (TFA)

National audienceSee http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/59/27/05/ANNEX/r_PN3ACFD3.pd

Chapitre 3: Les joints de grains dans la déformation à froid

Les joints de grains jouent un rôle primordial lors de la déformation élastique et élasto-plastique d'un polycristal. L'influence des joints est traditionnellement appréciée à différentes échelles : - à l'échelle microscopique, on considère les interactions entre les dislocations du réseau cristallin et les défauts propres constituant la microstructure des joints. Ce faisant on perd de vue les interactions à grande distance entre les grains, - à l'échelle macroscopique, on considère que l'influence des joints provient des effets des incompatibilités de déformation élastique et plastique entre les grains d'un agrégat polycristallin. Ce faisant, on perd de vue les phénomènes particuliers qui se produisent au niveau des joints du fait de leurs caractéristiques propres, en n'envisageant que des effets moyens de grains à grains. Les joints de grains sont à l'origine de la déformation hétérogène des grains. Cette hétérogénéité se manifeste par l'existence de " domaines " déformés suivant des systèmes de glissement différents. La non uniformité de la déformation est révélée par les marquages (grilles ou mouchetis) déposés sur la surface du matériau. Les incompatibilités de déformation plastique induisent dans les grains, des contraintes internes qui varient en chaque point des grains et qui peuvent être relaxées par des déformations élasto-plastiques. Les contraintes internes locales et les déformations localisées sont étroitement liées. Elles jouent un rôle prépondérant dans la réponse du matériau à une sollicitation et sur son endommagement. Bien que de grand progrès technologiques aient permis de mieux caractériser la réponse locale des grains, les contraintes internes ne peuvent être mesurées à l'échelle du micromètre. C'est pourquoi la méthode des éléments finis utilisée dans le cadre de la plasticité cristalline, permet une évaluation des contraintes internes ainsi que leur localisation spatiale dans les grains. Les modèles polycristallins sont des outils qui permettent d'étudier la réponse locale d'un matériau à une échelle intermédiaire, dite " mésoscopique ", c'est-à-dire se situant entre 0,1 et 10 micromètres. Cependant, les résultats dépendent : - de l'agrégat censé représenter le matériau, - des conditions aux limites imposées à cet agrégat de taille limitée, - des lois de comportement introduites. Dans ce qui suit, nous ne traiterons que des matériaux métalliques purs et des alliages homogènes (pas de variation de concentration d'éléments chimiques) ne présentant ni inclusions, ni précipités. Nous supposerons également que les joints, présentent une bonne cohésion pour les basses et moyennes températures et ne contiennent pas d'éléments de ségrégation. Le plan général est le suivant : - définition des incompatibilités de déformation, - après des rappels sur la plasticité du monocristal, notion de contraintes internes et des modes de relaxation de ces contraintes. - modélisation polycristalline. - effet de taille de grain sur le comportement à travers la loi de Hall et Petch et modélisation associée (dislocations géométriquement nécessaires). - formation de sous-joints et de joints de grains en recristallisation

ÉTUDE EXPÉRIMENTALE ET MODÉLISATION MÉCANIQUE DE LA CORROSION SOUS CONTRAINTE DES GAINES EN ZIRCALOY-4

In Pressurised Water Reactor fuel assemblies, cladding tubes constitute the first safety barriers against the fission product dissemination. It is therefore essential to ensure their integrity under all the reactor operating conditions. During an important loading, resulting from severe reactor power transients, clad failures can be induced by a Stress Corrosion Cracking phenomenon (SCC) due to the combined action of mechanical loading and gaseous fission products generated by the fuel pellets.The aim of our work is to study the role played by different parameters on the SCC phenomenon of Zircaloy-4 claddings. It is made up of three complementary parts:-the modelling of local mechanical fields applied during laboratory tests;-the design of specific SCC experiments to investigate the influence of several mechanical parameters;-the observation of the damage mechanisms occurring during these different experiments.Coupling mechanical modelling and laboratory tests allowed to obtain some local information which cannot be obtained experimentally. A hierarchical approach was then used to develop accurate constitutive laws of the stress-relieved Zircaloy-4 alloy. The constitutive equations derived from this approach were fitted to the mechanical loading applied during the experiments.The specific SCC tests results and SEM observations proved the existence of a time incubation period, which lasts for an important part of the lifetime measured in the SCC pressurisation tests. This incubation period is closely related to the experimental conditions of the laboratory tests. However the incubation period must be distinguished from the actual SCC mechanisms and corresponds to the time required for the metal surface to strip of its oxide layer by mechanical cracking and/or attack of zircon. First results obtained on pre-cracked samples showed that this stage, which introduces an artefact in the experimental test analysis, can be suppressed. Moreover, we have borne out that initiation and propagation of SCC cracks can be very fast when metal is laid bare and when iodine is present.La gaine des crayons combustibles des réacteurs à eau sous pression constitue la première barrière contre la dissémination des produits de fission. Il est donc primordial de garantir son intégrité au cours de son utilisation en réacteur. Lors de sollicitations importantes suite à un sévère transitoire de puissance du réacteur, la rupture de la gaine peut intervenir par un phénomène de corrosion sous contrainte (CSC), sous l’action conjuguée des sollicitations mécaniques et des produits de fission gazeux engendrés par les pastilles de combustible.Notre travail, dont le but est d’étudier le rôle de différents paramètres sur le processus de fissuration par CSC des gaines en Zircaloy-4, comporte trois volets complémentaires :-la modélisation des champs mécaniques locaux appliqués lors des essais en laboratoire ;-la réalisation d’essais spécifiques de CSC visant à préciser le rôle des différents paramètres mécaniques ;-l’observation des mécanismes d’endommagement associés à ces différentes expériences.Le couplage entre la modélisation mécanique et les expériences permet d’obtenir des informations locales non accessibles expérimentalement et nous a conduit à développer, à l’aide d’une démarche hiérarchique, des lois de comportement précises du Zircaloy-4 détendu et adaptées aux sollicitations rencontrées lors de nos essais.Le programme d’essais de CSC spécifiques et les observations en MEB ont démontré l’existence d’une phase d’incubation précédant la fissuration. Cette dernière, qui représente une part importante de la durée de vie mesurée lors des essais de CSC en pressurisation interne, est une étape propre à ces essais de laboratoire et doit être distinguée des mécanismes de CSC proprement dits. Elle correspond à la durée nécessaire pour mettre à nu le métal par fissuration mécanique et/ou attaque de la couche de zircone. Les premiers résultats sur éprouvettes préfissurées montrent que la suppression de cette phase, qui introduit un biais dans l’analyse des essais de laboratoire, est possible. De plus, nous avons aussi confirmé que l’amorçage et la propagation de fissures de CSC peuvent être très rapides lorsque le métal est mis à nu en présence d’iode

Numerical approach of cyclic behavior of 316LN stainless steel based on a polycrystal modeling including strain gradients.

International audienceA non-local polycrystal approach, taking into account strain gradients, is proposed to simulate the 316LN stainless steel fatigue life curve in the hardening stage. Material parameters identification is performed on tensile curves corresponding to several 316LN polycrystals presenting different grain sizes. Applied to an actual 3D aggregate of 316LN stainless steel of 1,200 grains, this model leads to an accurate prediction of cyclic curves. Geometrical Necessary Dislocation densities related to the computed strain gradient are added to the micro-plasticity laws. Compared to standard models, this model predicts a decrease of the local stresses as well as a grain size effect

Polycrystal model of the mechanical behavior of a Mo-TiC30vol.% metal-ceramic composite using a 3D microstructure map obtained by a dual beam FIB-SEM

The mechanical behavior of a Mo-TiC30 vol.% ceramic-metal composite was investigated over a large temperature range (25^{\circ}C to 700^{\circ}C). High-energy X-ray tomography was used to reveal the percolation of the hard titanium carbide phase through the composite. Using a polycrystal approach for a two-phase material, finite element simulations were performed on a real 3D aggregate of the material. The 3D microstructure, used as starting configuration for the predictions, was obtained by serial-sectioning in a dual beam Focused Ion Beam (FIB)-Scanning Electron Microscope (SEM) coupled to an Electron Back Scattering Diffraction system (3D EBSD, EBSD tomography). The 3D aggregate consists of a molybdenum matrix and a percolating TiC skeleton. As most BCC metals, the molybdenum matrix phase is characterized by a change in the plasticity mechanisms with temperature. We used a polycrystal model for the BCC material, which was extended to two phases (TiC and Mo). The model parameters of the matrix were determined from experiments on pure molydenum. For all temperatures investigated, the TiC particles were considered as brittle. Gradual damage of the TiC particles was treated, based on an accumulative failure law that is approximated by an evolution of the apparent particle elastic stiffness. The model enabled us to determine the evolution of the local mechanical fields with deformation and temperature. We showed that a 3D aggregate representing the actual microstructure of the composite is required to understand the local and global mechanical properties of the studied composite

POLYCRYSTALLINE MODELLING OF UDIMET 720 FORGING

International audienceA crystalline modelling of deformation implemented in a finite element code coupled to a recrystallization Cellular Automaton code is proposed and applied to forging processes of superalloys. The coupled modelling is used in order to obtain a better understanding of the microstructural evolution of superalloys during high temperature forging at different strain rates and temperatures. The framework of the modelling is large plastic deformation and large lattice rotation. The used internal variables are dislocations densities on slip systems of the different phases. Modelling is based on viscoplatic constitutive and hardening laws at the scale of the slip systems and describes local strain and stress fields as well as the stored energy and the rotation of the lattice in the grains of the microstructure. At different steps of deformation, formation of subgrains, annihilation of dislocations, nucleation, growth and new orientation of grains are computed. The 3D aggregates representing the superalloy, are built up from Electron Back Scattered Diffraction method (EBSD) by means of a high resolution Scanning Electron Microscope. The phases are identified by means of EBSD, chemical analysis (EDS) and observations with a Scanning Electron Microscope. In this paper the studied aggregate is realised from a semi product of Udimet 720. Such technique is able to give us, a realistic description of the crystalline orientation, morphology and position of grains in the aggregate. The Finite Element meshing is deduced from the EBSD analysis. At high temperature, the Udimet 720 is constituted by a γ matrix with a Face Centred Cubic structure (FCC) and γ' precipitates (Ni3(Ti,Al)) with a Simple Cubic structure (SC). The various material parameters used for the coupled modelling are previously determined from compression tests performed at several strain rate and temperature; The dislocation densities are measured from Transmission Electronic Microscope

Experimental characterization and mechanical behaviour modelling of Molybdenum -Titanium Carbide composite for high temperature applications.

International audienceSimulations of the elastic-viscoplastic behaviour of ceramic-metal composite, over the temperature range 298-993K, are performed on realistic aggregates built up from Electron Back Scatter Diffraction methods. Physical based constitutive models are developed in order to characterize the deformation behaviour of body centered cubic (bcc) metal and face centered cubic (fcc) ceramic under various temperatures. While the ceramic keeps elastic, the viscoplastic behaviour of the metal part is described with a dislocation - based model, implemented in the finite element code ABAQUS, in order to compute local strain and stress fields during compressive tests. It is shown that the adopted constitutive laws are able to give back local complex experimental evidence on weak points of the microstructure

Etude experimentale et modélisation mécanique de la corrosion sous contrainte des gaines en zircaloy-4

La gaine de crayons combustibles des réacteurs à eau sous pression constitue la première barrière contre la disséminatio, des produits de fission. Il est donc primordial de garantir son intégrité au cours de son utilisation en réacteur.Lors de sollicitations importantes suite à un sévère transitoire de puissance du réacteur, la rupture de la gaine peut intervenir par un phénomène de corrosion sous contrainte (CSC) sous l'action conjuguée des sollicitations mécaniques et des produits de fission gazeux engendrés par les pastilles de combustible. Notre travail dont le but est d'étudier le rôle de différents paramètres sur le processus de fissuration par CSC des gaines en zircaloy-4 comporte trois volets complémentaires : - la modélisation des champs mécaniques locaux appliqués lors des essais en laboratoire; - la réalisation d'essais spécilfiques de CSC visant à préciser le rôle des différents paramètres mécaniques; - l'observation des mecanismes d'endommagement associés à ces différentes expériences. Le couplage entre la modélisation mécanique et les observations en MEB ont démontré l'existance d'une phase d'incubation précédant la fissuration. De plus Nous avons aussi confirmé que l'amorçage et la propagation de fissures de CSC peuvent être très rapides lorsque le métal est mis à nu en présence d'iode.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF