Approche multiéchelles du comportement mécanique de revêtements Zn-Al-Mg de tôles d'acier galvanisées au trempé

Résumé de la thèse en français

Le programme de recherche de la thèse vise à déterminer les propriétés mécaniques des revêtements Zn-Al/Zn-Al-Mg déposés sur des tôles d'acier par galvanisation à chaud en tenant compte des différentes microstructures de solidification. La stratégie de recherche est développée selon 5 axes: sélection des matériaux, techniques de caractérisation avancées, définition des propriétés mécaniques macroscopiques des revêtements, identification des mécanismes de déformation et d'endommagement intergranulaire et intragranulaire et modélisation réaliste de la microstructure. Le projet de thèse vise à appliquer des techniques avancées de caractérisation et de modélisation pour une meilleure compréhension des propriétés mécaniques des revêtements selon les axes précédents. L'objectif est de tirer de ces observations de nouvelles directives pour optimiser la microstructure. Deux types de revêtements de compositions différentes en zinc, aluminium et magnésium sont sélectionnés pour réaliser l'étude complète. Ces revêtements présentent des microstructures multiphases complexes. Des essais de traction sont effectués sur les deux revêtements afin d'identifier leurs modes de déformation et d'endommagement respectifs à l'échelle macroscopique/mésoscopique (densité et taille des fissures) et à l'échelle microscopique (analyse MEB). Les techniques expérimentales sont les suivantes: polissage ionique des surfaces et analyse des textures morphologiques et cristallographiques au moyen de l'EBSD, analyse MEB de la surface et des sections transversales des revêtements pour l'identification des modes de déformation et d'endommagement (maclage, fissuration intergranulaire, plans de clivage), caractérisation MEB-FIB (3D Slice&View) de la morphologie et de la distribution des phases et des défauts et observation des sections transversales pour relier les observations de surface et les endommagements sous-jacents jusqu'à l'interface acier/revêtement. La déformation non homogène de la surface des échantillons de traction revêtus est quantifiée au moyen de méthodes de corrélation d'images fournissant le champ de déformation bidimensionnel et la distribution des fissures sur des surfaces représentatives. Des échantillons entaillés sont utilisés pour concentrer les zones endommagées. Le programme de travail comprend: (i) les mesures du champ de déformation (DIC), (ii) la caractérisation des réseaux de fissures en fonction du niveau de déformation global et (iii) la description de la distribution finale des fissures. La microscopie à haute résolution, ainsi que le MEB, sont utilisés pour caractériser les modes de déformation et d'endommagement des phases individuelles à l'intérieur des grains. Des essais de traction in-situ sont réalisés afin d'extraire la chronologie des événements de déformation et d'endommagement. Des simulations par éléments finis sont effectuées tout au long de l'étude, soit pour préparer les essais, soit pour les interpréter, et la microstructure réelle des revêtements est simulée tout en utilisant un modèle de plasticité cristalline. Cela permet de prédire le début de la plasticité/maclage et de l'endommagement.

Résumé de la thèse en anglais

The research program of the PhD aims at determining the formability and the mechanical properties of Zn-Al/Zn-Al-Mg coatings deposited on steel sheets by hot-dip galvanizing, with respect to their different solidification microstructures. The research strategy is developed along 5 axes: material selection, advanced characterization techniques, definition of the macroscopic mechanical properties of the coatings, identification of deformation and intergranular/intragranular damage mechanisms and realistic modeling of the microstructure. The PhD project aims to apply advanced characterization and modeling techniques for a better understanding of the mechanical properties of the coatings along the previous lines. The objective is to draw from these observations new guidelines to optimize the microstructure. Two types of coatings with different compositions in zinc, aluminum and magnesium are selected to perform the full study. These coatings exhibit complex multiphase microstructures. Tensile tests are performed on both coatings in order to identify their respective deformation and damage modes at the macroscopic/mesoscopic scale (crack density and size) and at the microscopic scale (SEM analysis). The experimental techniques are the following: ion polishing of surfaces and analysis of morphological and crystallographic textures by means of EBSD, SEM analysis of surface and cross-sections of the coating for the identification of deformation and damage modes (twinning, intergranular fracture, cleavage), Slice&View SEM-FIB characterization of the morphology and distribution of phases and defects and observation of cross-sections to connect surface observations to the underlying damage up to steel/coating interface. Non-homogeneous deformation of the surface of coated tensile specimens is quantified by means of digital image correlation methods providing the two-dimensional strain field and the distribution of cracks on representative surfaces. Notched samples are used to concentrate the damage zones. The work-schedule contains: (i) strain field measurements (DIC), (ii) characterization of the crack networks depending on the global strain level, and (iii) the description of the final crack distribution. High resolution microscopy, together with SEM, are used to characterize the deformation and damage modes of the individual phases inside the grains. In-situ tensile tests are performed in order to extract the chronology of deformation and damage events. Finite element simulations are achieved all along the study either for preparation of the tests or for their interpretation and real microstructure is simulated using a crystal plasticity material model. This allows to predict the initiation of plasticity/twinning and damage.

Titre anglais : Multiscale approach of the mechanical behaviour of hot-dip Zn-Al-Mg coatings on a steel sheet
Date de soutenance : mardi 8 février 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech – Université PSL 60 Bd Saint-Michel 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Vincent MAUREL
Co-encadrant : Kais AMMAR

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Compréhension et modélisation des mécanismes et des effets de géométrie dans la transition ductile-fragile

Résumé de la thèse en français

Cette thèse a pour objectif principal d'étudier l'effet de la température et de la géométrie sur la ténacité du matériau dans la zone de transition ductile-fragile. Ce travail propose de modéliser les mécanismes de rupture observés dans cette zone à l'aide d'une approche locale de rupture. Conformément à l'expérience, la rupture dans cette zone peut être décrite par une avancée ductile de la fissure suivie par un clivage de l'éprouvette. Dans le cadre d'une formulation non locale, la rupture fragile est modélisée par une version modifiée du modèle statistique de Beremin. L'avancée ductile peut être modélisée par un modèle d'endommagement non-local de type GTN. On commence tout d'abord par une étude expérimentale du matériau de l'étude : un acier ferritique 18MND5. Plusieurs éprouvettes sont testées pour décrire le comportement de ce matériau vis-à-vis de la plasticité et de l'endommagement. La fractographie en MEB effectuée sur les faciès de rupture permet dans un premier temps de décrire les mécanismes de rupture en fonction de la géométrie et de la température et dans un deuxième temps, de distinguer les éprouvettes fragiles des éprouvettes qui ont une certaine avancée ductile de la fissure. Ensuite, à partir des résultats des observations précédentes, on modélise la plasticité et l'endommagement du matériau. Finalement, une nouvelle méthodologie du calcul de la contrainte de Weibull permet de s'assurer que celle- ci est correctement évaluée ; en particulier on vérifie que le calcul est convergé en maillage et on filtre les fortes fluctuations de contrainte. Le clivage est décrit par le modèle de Ruggieri-Beremin qui permet de prendre en compte l'effet de la déformation plastique sur la contrainte de Weibull.

Résumé de la thèse en anglais

The major goal of this work is to study the temperature and the geometry effect on material fracture toughness in the Ductile-to-Brittle transition region. This work proposes to model the fracture mechanisms observed in this zone using a local approach to fracture. According to experimental evidences, fracture in the Ductile-to-Brittle can be described as a limited ductile crack advance followed by cleavage. In the context of a non-local formulation, cleavage is modeled using a modified Beremin model while ductile crack advance is modeled using the GTN damage model. Firstly, an experimental study is carried on our material which is the 18MND5 ferritic steel. Several specimens are tested to describe the behavior of our material with respect to plasticity and damage. SEM fractography analysis allows, on the one hand, describing the fracture mechanisms depending on geometry and temperature and on the other hand, distinguishing brittle specimens from specimens that have a certain ductile advance of the crack. Then, from the results of the previous observations, we model the plasticity and the damage of our material. Finally, a new methodology for the Weibull stress evaluation is proposed in order to filter out the elements that are detrimental to the computation of this stress. Cleavage is modeled using the Ruggieri-Beremin model, which takes into account the effect of triaxiality on the Weibull stress.

Titre anglais : Inderstanding and modelling mechanisms and geometry effects in ductile to brittle transition.
Date de soutenance : mercredi 20 janvier 2021 à 14h00
Adresse de soutenance : EDF LAB Les Renardières Avenue des Renardières Écuelles, 77818 Moret sur Loing cedex – Salle RASTOIX
Directeurs de thèse : Jacques BESSON, DAHL ANNA

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