Modeling ductile damage for complex loading paths

Abstract

Ce travail de thèse vise à une meilleure compréhension et prise en compte des mécanismes d'endommagement ductile au cours des procédés de mise en forme à froid. Le tréfilage, le laminage de fils et le laminage à pas de pèlerin sont pris comme exemples d'application. Une grande attention est portée également à la méthodologie d'identification des paramètres des modèles d'endommagement implémentés. Trois approches de l'endommagement ductile ont été étudiées : des critères de rupture phénoménologique, des modèles phénoménologiques couplés et des modèles micromécaniques. Ces modèles ont été implémentés dans Forge®, et les algorithmes ont dû être adaptés à sa formulation mixte vitesse-pression et à son élément fini (P1+/P1). Parallèlement aux développements numériques, différents essais mécaniques ont été effectués sur trois matériaux différents (acier haut carbone, acier inoxydable et alliage de zirconium) pour identifier les paramètres des modèles d'écrouissage et d'endommagement. Des essais de traction in situ sous micro-tomographie aux rayons X ont été exploités pour l'identification des mécanismes d'endommagement ductile (germination, croissance et coalescence), ainsi que l'identification du modèle micromécanique. Enfin, la dernière partie de ce travail a consisté à réaliser des études comparatives de ces différents modèles d'endommagement pour les différents procédés de mise en forme et différents matériaux. Concernant le tréfilage et le laminage de l'acier inoxydable, un bon accord entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux a été obtenu. Pour l'acier à haute teneur en carbone (perlitique), le modèle micro-mécanique GTN a donné le meilleur résultat à la fois qualitativement et quantitativement pour le tréfilage ultime. Par ailleurs, la comparaison entre les différents modèles sur différents procédés (laminage du fil avec l'acier haut carbone, laminage à pas de pèlerin avec l'alliage de zirconium) a aidé d'une part à mettre en évidence le rôle important du troisième invariant de la contrainte déviatorique sur la localisation de l'endommagement dans les procédés de mise en forme où le cisaillement est dominant. D'autre part, elle montre que le processus d'identification lui-même devrait se fonder sur la mesure de la microstructure afin de garantir un résultat précis lors de l'application aux procédés.The present PhD thesis aims at a better understanding and modeling of ductile damage mechanisms during cold forming processes, with wire drawing, rolling and cold pilgering as examples. In addition, special attention is paid to implemented damage models parameters identification methodology. All three approaches of ductile damage were investigated: uncoupled phenomenological fracture criteria; coupled phenomenological models; micromechanical model. These models have been implemented in Forge®, which required adaptation of algorithms to its mixed velocity-pressure formulation and to its finite element (P1+/P1). Parallel to the numerical work, various mechanical tests on three different materials (high carbon steel, stainless steel and zirconium alloy) were carried out for work hardening, and damage models parameters identification. In situ X-ray micro-tomography tensile tests have also been exploited for the identification of ductile damage mechanisms (nucleation, growth and coalescence) as well as the identification of micromechanical model. Finally, we carried out comparative studies of these models on our three abovementioned forming processes and materials. Regarding wire drawing and rolling of stainless steel, good agreement between numerical simulations and experimental results was found. For high carbon perlitic steel ultimate wire drawing, the GTN micro-mechanical model has given the best result, both qualitatively and quantitatively. Moreover, the comparison of the different models on different processes (wire rolling on high carbon steel, cold pilgering on zirconium alloy) highlights on the one hand the important role of the third deviatoric stress invariant in damage localization for shear-dominated forming processes. It shows on the other hand that the identification process itself should be based on microstructure measurements to provide accurate results in forming application