Etude de l'endommagement ductile lors de chargements complexes et à basse triaxialité par imagerie 3D synchrotron et calculs éléments finis

Résumé de la thèse en français

Dans la recherche de matériaux plus légers et de composants à parois minces optimisés pour le transport, la connaissance des mécanismes d'endommagement ductiles caractéristiques des tôles est essentielle. Les interactions entre la déformation et l'endommagement ne sont pas encore bien comprises dans des conditions de chargement dominées par le cisaillement (faible contrainte triaxiale), sans parler de l'importance de l'application dans le cas de changements complexes de la trajectoire de chargement. Grâce à la laminographie synchrotron 3D, l'évolution de l'endommagement d'une éprouvette de cisaillement en tôle plate en alliage Al-Cu-Li 2198 T8 recristallisé a été étudiée avec une résolution allant du micro au nanomètre. Deux caractéristiques principales de dommages, les fissures plates granulaires et les fissures de particules intermétalliques, ont été trouvées et suivies. L'origine de ces fissures plates nuisibles a été étudiée par EBSD corrélative. Les fissures se sont avérées être à la fois intergranulaires et transgranulaires. Afin d'étudier l'effet de la charge de pré-cisaillement et le mécanisme d'endommagement, une expérience laminographique in situ a été réalisée au cours d'un changement de trajectoire de charge de " cisaillement à tension " (ST). La ductilité de l'essai ST était significativement réduite par rapport à l'essai proportionnel. Au microscope, les dommages 3D se sont formés sous cisaillement et ont ensuite continué à croître et à coalescer jusqu'à la rupture pendant la charge de traction, expliquant ainsi la réduction de la ductilité. Pour mieux interpréter les résultats expérimentaux, une modélisation par éléments finis (FE) a été réalisée en utilisant un modèle de plasticité anisotrope. Le modèle a réussi à prédire le comportement plastique sous des charges non proportionnelles, non seulement ST mais aussi 'tension à cisaillement' (TS), ainsi qu'à prévoir les champs de déformation équivalents accumulés mesurés par corrélation d'image numérique 2D (DIC) sur des données de volume projeté. Un modèle d'endommagement polycristallin de Rousselier-Coulomb, qui associe pleinement la croissance classique des vides pour la triaxialité des contraintes élevées et le modèle de Coulomb à l'échelle du système de glissement pour la triaxialité des contraintes faibles, a été appliqué pour modéliser l'évolution de l'endommagement sous les changements de trajectoire de charge et a réussi à prédire la réduction de la ductilité sous des charges non proportionnelles.

Résumé de la thèse en anglais

In the pursuit of lighter materials and optimized thin-walled components for transportation, knowledge about the characteristic ductile damage mechanisms in metal sheets is key. Strain-damage interactions are still not well understood under shear dominant (low stress triaxiality) loading conditions, not to mention highly application-relevant under complex load path changes. With 3D synchrotron laminography, the damage evolution in a flat sheet shear specimen made of recrystallized Al-Cu-Li alloy 2198 T8 was studied from micro down to nanometer resolution. Two main damage features, granular flat cracks and intermetallic particle cracks, were found and followed. The origin of these detrimental flat cracks was investigated by correlative EBSD. The cracks turned out to be both intergranular and transgranular. In order to study the effect of pre-shear loading and the damage mechanism, an in situ laminographic experiment was carried out during a ‘shear to tension' (ST) load path change. The ductility of the ST test was significantly reduced compared to the proportional one. Microscopically, 3D damage, nucleated under shear and subsequently continued to grow and coalesce till fracture during tensile loading thereby explaining the ductility reduction. To interpret further the experimental results finite element (FE) modelling was carried out using a model for anisotropic plasticity. The model succeeded in predicting the plastic behaviour under non-proportional loadings, not only ST but also ‘tension to shear' (TS), as well as in foreseeing the accumulated equivalent strain fields measured by 2D digital image correlation (DIC) on projected volume data. A Rousselier-Coulomb polycrystalline damage model, that fully coupled classical void growth for high stress triaxiality and Coulomb model at the slip system scale for low stress triaxiality, was applied to model damage evolution under load path changes and succeeded in predicting ductility reduction under non-proportional loadings.

 

Date de soutenance : lundi 13 juin 2022 à 10h00
Adresse de soutenance : 60 Bd Saint-Michel 75272 Paris – V106A
Directeur de thèse : Thilo MORGENEYER
Co-encadrant : Djamel MISSOUM-BENZIANE

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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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Comportement des gaines en alliages de zirconium en conditions thermo-mécaniques représentatives d'un accident RIA

Résumé de la thèse en français

Ces travaux de thèse ont pour but d'établir une meilleure compréhension du comportement thermomécanique à la rupture des gaines du crayon combustible au cours d'un transitoire accidentel de type RIA. Un dispositif expérimental nommé EDC-T permettant la réalisation des essais mécaniques sur des gaines en Zircaloy-4 avec des biaxialités de déformation ???/??? entre ?0,2 et 1 a été développé. Une campagne expérimentale à 25 °C menée sur ce dispositif a permis d'étudier les effets de la biaxialité et de la vitesse de déformation sur la rupture de la gaine. Les essais réalisés montrent un effet important de la biaxialité sur la déformation circonférentielle à la rupture qui possède un minimum pour un l'état de déformation plane où la biaxialité de déformation est proche de 0. Une faible baisse de la ductilité a été également enregistrée lors de l'augmentation de la vitesse de déformation pour tous les niveaux de biaxialité. Les mécanismes d'endommagement et les modes de rupture des éprouvettes sont identifiés d'après les surfaces et les profils de rupture en fonction des conditions de sollicitation. Des simulations numériques par éléments finis ont été réalisées avec le code CAST3M pour modéliser l'essai et simuler la rupture des gaines avec un chargement biaxial. Un second dispositif expérimental a été développé pour coupler les effets d'un chargement mécanique biaxial et d'un chargement thermique rapide. L'objectif est de chauffer la gaine avec des vitesses de montée en température supérieures à 100 °?.??1 afin d'éviter la restauration des défauts liés à l'hydruration et à l'irradiation au cours de l'essai. La méthode a été utilisée pour réaliser des essais thermomécaniques à des fortes vitesses de chauffage, des fortes vitesses de déformation et à des niveaux de biaxialité élevés afin de reproduire l'intégralité des chargements lors d'un accident de réactivité. Les premiers résultats montrent, pour une gaine vierge, que la déformation à la rupture n'a pas été affectée par la température ni par la vitesse de chauffage. Des simulations par éléments finis ont été mises en place pour modéliser les différentes méthodes de chauffage testées et permettre d'optimiser la méthode retenue. Ces simulations ont notamment permis de modéliser le passage du courant électrique et du flux thermique à travers des interfaces solide-solide.

Résumé de la thèse en anglais

The aim of this work is to enhance the understanding of the thermomechanical behavior at rupture of the fuel rod cladding during an accidental transient of the RIA type. A new mechanical test has been developed in order to apply a strain biaxiality ratio ?_zz/?_?? between -0,2 et 1. It allows to reproduce loading conditions close to the ones occuring during a RIA accident. An experimental compaign at room temperature carried out with this device made it possible to study the effects of strain biaxiality ratio and strain rate on the fracture of the cladding. The tests carried out show a significant effect of the biaxiality on the hoop strain at failure which has a minimum for a plane strain state where the strain biaxiality is close to 0. A slight decrease in ductility was also recorded during of the increase in strain rate for all biaxiality levels. The damage mechanisms and failure modes of specimens are identified from the surfaces and failure profiles depending on the stress conditions. Numerical finite element simulations were performed with the CAST3M code to model the test and simulate the failure of cladding with biaxial loading. A second experimental device has been developed to couple the effects of biaxial mechanical loading and rapid thermal loading. The objective is to heat the cladding with temperature rise rates greater than ?100 °C.s?^(-1) in order to avoid the restoration of the defects linked to the hydriding and to the irradiation during the test. The method was used to perform thermomechanical tests at high heating rates, high strain rates, and high biaxiality levels to reproduce full loadings in a reactivity accident. The first results show, for a virgin cladding, that the strain at break was not affected by temperature or by the rate of heating. Finite element simulations were undertaken to model the different heating methods tested and to optimize the chosen method. These simulations made it possible in particular to model the passage of electric current and heat flow through solid-solid interfaces.

 

Titre anglais : Behavior of zirconium alloy cladding under thermo-mechanical conditions representative of an RIA accident
Date de soutenance : vendredi 11 décembre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : En visioconférence intégrale – –
Directeurs de thèse : Jacques BESSON, Jerôme CREPIN

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