Modeling of plastic anisotropy with reduced polycrystalline models. Application to aluminum alloys

From the issue entitled "Proceedings of the 11th ESAFORM Conference on Material Forming, Lyon (France), 23-25 April 2008, edited by P. Boisse, F. Morestin, E. Vidal-Sallé, LaMCoS, INSA de Lyon)"International audienceThe modeling of deviations from isotropic hardening still is a difficult task for macroscopic models, in particular for non-proportional loading paths. The alternative polycrystalline models suffer from large CPU time in FE analyses and do not always give simultaneously a good description of flow stresses and transverse strain rates. Due to a specific parameter calibration procedure, a “reduced” polycrystalline model with 8 orientations only is in excellent agreement with all experimental curves for a 2090-T3 aluminum sheet. FE calculations of a punch test with contact and friction give CPU times only 15% larger than with a macroscopic model

A generic method for modelling the behavior of anisotropic metallic materials : application to recrystallized zirconium alloys

A simplified polycrystalline model (the so-called RL model) is proposed to simulate the anisotropic viscoplastic behavior of metallic materials. A generic method is presented that makes it possible to build a simplified anisotropic material texture, based on the principal features of the pole figures. The method is applied to a recrystallized zirconium alloy, used as clad material in the fuel rods of nuclear power plants. An important database consisting in mechanical tests performed on Zircaloy tubes is collected. Only a small number of tests (pure tension, pure shear) are used to identify the material parameters, and the texture parameters. It is shown that six crystallographic orientations (6 "grains") are sufficient to describe the large anisotropy of such hcp alloy. The identified crystallographic orientations match the experimental pole figures of the material, not used in the identification procedure. Special attention is paid to the predictive ability of the model, i.e., its ability to simulate correctly experimental tests not belonging to the identification database. These predictive results are good, thanks to an identification procedure that enables to consider the contribution of each slip system in each crystallographic orientation

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

FINITE DEFORMATION CONSTITUTIVE RELATIONS INCLUDING DUCTILE FRACTURE DAMAGE

International audienc

Rupture ductile plate/inclinée, nouveaux matériaux : des défis pour la modélisation

National audienceFlat-slant fracture transition and ductile fracture in shear and/or at small stress triaxiality remain a critical topic, in particular in new aluminum alloys. Some porous plasticity models are inadequate.Besides, the micromechanism of fracture can be transgranular without prior void damage. Coulomb’s fracture model, associated with an appropriate porous plasticity model, is used to simulate notched tensile, shear and CT specimens made of aluminum alloys 6260-T6 and 2198-T8R thin sheets. The experimental and numerical results are in good agreement with regard to fracture strains and locations, macroscopic and microscopic features.La transition rupture plate/rupture inclinée et la rupture ductile en cisaillement et/ou à faible triaxialité des contraintes restent difficiles à modéliser. Les performances des modèles de plasticité poreuse sont examinées sous cet aspect. Par ailleurs, ces modèles sont basés sur les mécanismes d'amorçage, de croissance et de coalescence de cavités. Or, dans les nouveaux alliages, par exemple les alliages d'aluminium développés pour réduire le poids sans compromettre la sécurité des moyens de transport, on peut observer des ruptures transgranulaires sans cavités. Les observations au microscope électronique à balayage sont confirmées par la tomographie aux rayons X. Un autre modèle de rupture ductile doit être associé à la plasticité poreuse pour simuler le comportement des éprouvettes et des structures. A cet effet, le modèle de rupture de Coulomb est formulé à l'échelle des systèmes de glissement. Le modèle couplé est utilisé pour simuler par éléments finis une éprouvette plate de traction avec entaille et une éprouvette de cisaillement, prélevées dans une extrusion en alliage d'aluminium 6260-T6, ainsi qu'une éprouvette CT mince en alliage aluminium-cuivre-lithium 2198-T8R. L'éprouvette de traction présente une surface de rupture inclinée et mixte cupules-transgranulaire. La surface de rupture de l'éprouvette de cisaillement est plate sans cavités. Dans l'éprouvette CT, la croissance de fissure est plate et mixte cupules-transgranulaire puis inclinée sans cupules. Les résultats expérimentaux et numériques sont en bon accord, tant pour les déformations à rupture, la fissuration, que pour les mécanismes à l'échelle microscopiqu

Modeling of plasticity and ductile fracture physical mechanisms and numerical simulation of laboratory specimens

International audienceThe most commonly observed ductile fracture mechanism is void nucleation, growth and coalescence. Fully coupled "porous plasticity" models (GTN, Rousselier) are presented and their limits are discussed in relation with quantitative observations and micromechanical simulations. Strain localization in a macroscopic planar band represents the void coalescence phase. (Micromechanical modeling of nucleation is not presented.) These models are well suited for laboratory specimen calculations, including the multi-scale version with a reasonable computation time due to reduced texture identification (8 to 15 crystal orientations). A trans-granular crystallographic ductile fracture mechanism is also modeled in the multi-scale framework. Examples of numerical simulations are given for aluminum and steel specimens. The experimental and numerical results are in good agreement with regard to fracture strains and locations as well as macroscopic/microscopic features. The effect of the carbides-nucleated secondary population of voids in low alloyed steels is modeled in the multi-scale framework and used in calculations

Modélisation des mécanismes physiques de plasticité et de rupture ductile et simulation numérique des essais de laboratoire

International audienceThe most commonly observed ductile fracture mechanism is void nucleation, growth and coalescence. Fully coupled "porous plasticity" models (GTN, Rousselier) are presented and their limits are discussed in relation with quantitative observations and micromechanical simulations. Strain localization in a macroscopic planar band represents the void coalescence phase (Micromechanical modeling of nucleation is not presented.) These models are well suited for laboratory specimen calculations, including the multi-scale version with a reasonable computation time due to reduced texture identification (8 to 15 crystal orientations). A transgranular crystallographic ductile fracture mechanism is also modeled in the multi-scale framework. Examples of numerical simulations are given for aluminum and steel specimens. The experimental and numerical results are in good agreement with regard to fracture strains and locations as well as macroscopic/microscopic features. The effect of the carbides-nucleated secondary population of voids in low alloyed steels is modeled in the multi-scale framework and used in calculations.Le mécanisme de rupture ductile le plus couramment observé est l'amorçage-croissance-coalescence de cavités. Les modèles couplés de type "plasticité poreuse" (GTN, Rousselier) sont présentés et leurs limites sont discutées en relation avec les observations quantitatives et les simulations micromécaniques. La localisation de la déformation sous forme d'une bande planaire macroscopique représente la phase de coalescence des cavités. (La modélisation micromécanique de l'amorçage n'est pas abordée.) Ces modèles sont particulièrement adaptés au calcul d'éprouvettes de laboratoire, y compris dans la version multiéchelles avec un temps de calcul raisonnable grâce à l'identification de textures réduites (8 à 15 orientations cristallines). Un mécanisme de rupture ductile cristallographique transgranulaire sans cavités peut également être modélisé dans le cadre multiéchelles. Le propos est illustré par des exemples de simulation numérique d'éprouvettes pour l'aluminium et l'acier. Les résultats expérimentaux et les simulations numériques sont en bon accord pour la localisation de la rupture, les déformations à rupture et les observations aux différentes échelles. L'effet de la seconde population de cavités amorcées sur les carbures dans des aciers faiblement alliés fait l'objet d'une modélisation et de simulations numériques multiéchelles

Combining porous plasticity with Coulomb and Portevin-Le Chatelier models for ductile fracture analyses

International audienceFor large void volume fraction, the Rousselier porous plasticity model transforms naturally into a coalescence model, in the whole range of stress triaxiality, in agreement with the necessary kinematic coalescence condition (NKCC). It enables to model slant fracture in notched tensile or cracked specimens. Nevertheless, void coalescence is not the single mechanism involved in slant fracture. That is why it is necessary to combine porous plasticity with other models. In this paper, the Coulomb fracture model and the Portevin-Le Chatelier (PLC) model (or dynamic strain aging: DSA) are formulated at the slip system scale. The Coulomb model combines the resolved normal and shear stresses for each slip plane and direction. For DSA, we postulate that each slip system has its own history of dislocation pinning and unpinning by solute atoms. The models are fully coupled in the framework of classical polycrystalline plasticity. A Reduced Texture Methodology (RTM) is used to provide the computational efficiency needed for numerical applications. The RTM approach involves a significant reduction of the number of representative crystallographic orientations. The models are applied to a notched tensile specimen taken from a 6260 aluminum alloy thin-walled extrusion. Fractographic examinations show a combination of dimples and large smooth areas on the slant fracture surface (mixed fracture). It highlights the need for combined fracture models. The PLC model gives very sharp oscillations of the macroscopic plastic strain rate, associated with moving plastic strain rate bands. It leads to a significant reduction of ductility compared to porous plasticity alone

On the Plastic and Viscoplastic Constitutive Equations - Part I: Rules Developed With Internal Variable Concept

International audienc