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Fiche descriptive du sujet de thèse

Modélisation physique d'un comportement viscoplastique non monotone en grandes déformations : effet Portevin-Le Chatelier et rupture ductile

Modélisation physique d'un comportement viscoplastique non monotone en grandes déformations : effet Portevin-Le Chatelier et rupture ductile

Physical modelling of the anomalous viscoplastic behaviour at finite strains: Portevin-Le Chatelier effect and ductile fracture

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique

Ecole doctorale

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

FOREST Samuel

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactSamuel FOREST
Date de validité

01/10/2021

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

Numérique, Expérimental, Viscosité non monotone, Vieillissement dynamique, Portevin-Le-Chatelier, rupture ductile

Simulation, Experiments, Anomalous viscosity, dynamic strain ageing, Portevin-Le Chatelier effect, ductile fracture

Résumé

Les superalliages à base de nickel pour disques de turbines de moteurs d'avion présentent une sensibilité inverse à la vitesse de déformation dans une partie du domaine de température d'utilisation en service. C'est une manifestation du phénomène de vieillissement dynamique qui résulte de la compétition entre le glissement des dislocations, leur interaction avec la forêt et la diffusion des solutés présents dans l'alliage. L'expression la plus évidente du vieillissement dynamique est l'effet Portevin-Le Chatelier qui se traduit par des oscillations sur la courbe de traction et la propagation de bandes de localisation de la vitesse de déformation plastique tout le long de l'éprouvette et dans les composants. On s'interroge sur l'impact de cet effet sur la rupture ductile de ces matériaux. Pour cela, une modélisation physique de ce phénomène sera proposée en partant de la modélisation macroscopique déjà disponible chez les partenaires du projet. Elle portera sur l'analyse à l'échelle granulaire du polycristal à l'aide de simulations numériques par éléments finis et d'expérimentation in situ sous MEB. Elle sera validée à l'aide d'essais mécaniques macroscopiques sous chargement complexe (relaxation, mesures de champs, analyse de la rupture ductile).

Nickel-based superalloys for aircraft engine turbine discs exhibit inverse strain rate sensitivity in part of the service temperature range. This is a manifestation of the dynamic strain ageing phenomenon that results from the competition between dislocation sliding, interaction with the forest and diffusion of solutes in the alloy. The most obvious expression of dynamic ageing is the Portevin-Le Chatelier effect which results in oscillations in the tensile curve and the propagation of plastic strain rate bands along the length of the specimen and in the components. The impact of this effect on the ductile failure of these materials is investigated. For this purpose, a physical model of this phenomenon will be proposed, based on the macroscopic model already available from the project partners. It will focus on the analysis at the granular scale of the polycrystal using numerical simulations by finite elements and in situ experiments under SEM. It will be validated using macroscopic mechanical tests under complex loading (relaxation, field measurements, analysis of ductile failure).

Contexte

Les composants aéronautiques sont soumis à des chargements thermomécaniques extrêmes. Lors de la conception, un certain nombre de critères de dimensionnement sont à respecter pour assurer l'intégrité des pièces mécaniques durant un fonctionnement nominal ou lors de chargements ultimes. La survitesse est l'un des chargements ultimes considérés pour les disques de turbines : lors d'un dysfonctionnement exceptionnel du moteur, la vitesse de rotation du disque peut augmenter rapidement ; il faut alors s'assurer que le disque supportera cette surcharge.

La vitesse critique supportée par le disque peut alors être identifiée par deux critères :
Instabilité élastoplastique globale : l'atteinte d'une vitesse maximale supportable par le disque : vitesse à partir de laquelle le diamètre du disque se mettrait à augmenter de façon instable ce qui mènerait à la rupture du composant;
Localisation de la déformation et rupture ductile : l'atteinte d'un état de contrainte et déformation local engendrant l'amorçage d'une fissure, généralement suivie par une propagation brutale avant l'instabilité élastoplastique globale.
La juste prévision de la ruine des structures complexes nécessite alors une modélisation précise des états de contraintes en grandes déformations. Cela passe par l'identification d'une loi de comportement robuste permettant de prédire à la fois: Le comportement global menant à l'instabilité élastoplastique (redistribution de contraintes, dépendance à l'état de sollicitation et à la vitesse de sollicitation).

Les états de contraintes et déformation locaux pour l'application de critères de rupture ductile pertinents.
Dans le cadre de cette étude nous souhaitons nous intéresser à la compréhension et à la modélisation des phénomène d'instabilité viscoplastique de type Portevin-Le Chatelier (PLC). Lors d'un essai de traction, ce phénomène peut se manifester sur la courbe contrainte-déformation par des oscillations rapides d'amplitude plus ou moins importante de la contrainte. Sur une éprouvette « simple », comme une éprouvette de traction standard, il est aussi possible d'observer que ces oscillations s'accompagnent de bandes de localisation de la déformation qui se déplacent rapidement dans l'échantillon. Sur des éprouvettes plus complexes, les oscillations peuvent alors être plus rares mais de très grande amplitude.

Bien que ces phénomènes soient en partie compris, leur modélisation et l'identification d'une loi de comportement pertinente applicable aux composants industriels restent des problèmes ouverts. Dans les présents travaux nous souhaitons améliorer notre compréhension de ces phénomènes tant à l'échelle microscopique que macroscopique. L'objectif est alors d'établir un lien quantitatif entre caractéristiques microscopiques observables et les paramètres d'une loi de comportement macroscopique. Cette loi doit ensuite permettre de modéliser les variations importantes de chargement et de déformation observées sur éprouvettes semi complexes.

Afin d'identifier ce modèle conduisant à une localisation des déformations, des approches utilisant des données locales issues de la corrélation d'images seront utilisées. L'approche de recalage de modèle par éléments finis est ainsi envisagée.
Munis d'une loi de comportement permettant de décrire les différents aspects énoncés ci-dessus, nous souhaitons évaluer l'impact d'un tel comportement sur l'identification d'un critère de rupture ductile et sur son application dans des structures complexes. Cette validation pourra se faire sur des éprouvettes complexes dimensionnée à cet effet, et/ou sur des cas métier SAE comme la prédiction de l'éclatement de disques simulacres.

Encadrement

Directeur de thèse : FOREST Samuel - Centre des Matériaux
Co-Directeur de thèse : MAZIERE Matthieu - Centre des Matériaux
Co-encadrant externe : VATTRE Aurélien - Onera
Co-encadrant externe : AL KOTOB Moubine - Safran SAE

Profil candidat

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum).
Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Mécanique des milieux continus, Mécanique numérique, Mécanique et physique des matériaux


Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• Une attestation de niveau d'anglais
• Passeport ou Carte Identité

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):
Continuum mechanics, Computational Mechanics, Mechanics and physics of materials


Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a covering letter explaining the applicant’s motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
• Passport

to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Références

M. Al Kotob, C. Combescure, M. Mazière, T. Rose, and S. Forest, A general and efficient multi-start algorithm for the detection of loss of ellipticity in elastoplastic structures, International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 121, pp. 842-866, 2019. 10.1002/nme.6247 hal-02358732v1
S.C. Ren, T.F. Morgeneyer, M. Mazière, S. Forest, G. Rousselier, Effect of Lüders and Portevin-Le Chatelier localization bands on plasticity and fracture of notched steel specimens studied by DIC and FE simulations, International Journal of Plasticity, vol. 136, pp. 102880, 2020. 10.1016/j.ijplas.2019.102880 hal-02981511v1
S. C. Ren, T. F. Morgeneyer, M. Mazière, S. Forest and G. Rousselier, Portevin-Le chatelier effect triggered by complex loading paths in an Al-Cu aluminium alloy, Philosophical Magazine, vol. 99, pp. 659-678, 2019. doi.org/10.1080/14786435.2018.1550296

Type financement

Convention CIFRE

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=38385

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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