Stabilité en composition et en température des phases η et δ dans les superalliages base nickel

Résumé en français

L'étude proposée a pour objectif de préciser les domaines de composition et de température dans lesquels les phases susceptibles de produire les effets recherchés seraient stables.

Résumé en anglais

The aim of this study is to precise the composition and temperature domains in which the phases, which could likely produce the desired effects, would be stable.

Titre anglais : Composition and temperature stability of ? and ? phases in nickel base superalloys
Date de soutenance : mercredi 18 décembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines Paristech 60, boulevard Saint-Michel 75006 Paris – V107
Directeurs de thèse : Vincent MAUREL, Vladimir ESIN

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Chaire de mécénat, avec le soutien de Safran

Prévue pour une durée de 5 ans, la chaire BigMéca développera des méthodes innovantes, mobilisant des techniques de réduction de modèles et des réseaux de neurones pour produire des simulations inédites de matériaux. Elle est portée par Henry Proudhon et David Ryckelynck, chercheurs au Centre des Matériaux MINES ParisTech, respectivement titulaire et co-titulaire de la Chaire.

Déroulé du lancement de la Chaire

14h : Présentation de la chaire BigMéca, Mécanique des matériaux et des procédés de fabrication via l’apprentissage statistique

• Introduction par Henry Proudhon
• Exposés scientifiques : David Ryckelynck, Henry Proudhon, Christian Rey
• Présentation des études en cours : doctorants, mastères DMS, S3 recherche
• Échange avec les participants

16h30 : Inauguration de la chaire BigMeca en présence de la direction R&T de Safran et des élèves de l'École

Accueil par Vincent Laflèche, directeur de MINES ParisTech

16h35 : « Ma chaire en 180 s », Henry Proudhon
16h40 : Intervention de Vincent Garnier, directeur de SafranTech
17h : Questions et échange avec les élèves et les étudiants : chaire BigMéca et stratégie R&T de SAFRAN
17h30 : Signature de la convention de partenariat entre Safran,  le Bureau des élèves (BDE) de MINES ParisTech et MINES ParisTech

• À l’occasion de l’inauguration de la Chaire, un partenariat entre le BDE de MINES ParisTech et Safran sera signé afin d’inscrire dans la durée les liens entre les étudiants et ses partenaires industriels, de renforcer la synergie entre recherche et enseignements et de mieux organiser les différents liens entre les entreprises et leurs contacts à l’École : étudiants, professeurs et chercheurs.

17h50 : table ronde métiers

Lieu : MINES ParisTech – 60, bd Saint-Michel – Paris
 

Modélisation numérique de l'amorçage et la propagation des fissures dans les tôles métalliques ductiles pour les simulations de crash.

Résumé de la thèse en français

Lors d’un crash automobile, les pièces faites de tôles metalliques sont sujettes à rupture. La rupture des matériaux ductiles n’est actuellement pas prédite de manière fiable dans un contexte industriel, entraînant des coûts et délais supplémentaires sur la conception. Cette problématique est alors abordée dans cette thèse CIFRE du Groupe PSA menée en collaboration avec l’Onera et le Centre des Matériaux. L’objectif de ces travaux est de développer et d’implanter une stratégie numérique fiable de prédiction de fissure par la méthode des Éléments Finis (EF) dans les calculs de crash automobile. Une première partie de ce travail consiste en la caractérisation puis la modélisation du comportement jusqu’à l’amorçage d’un matériau ductile représentatif: les tôles d’acier DP450. Pour ce faire, des essais sont réalisés sur une large gamme de vitesses de chargement, de triaxialités, et à différentes températures. `{A} partir des résultats obtenus, un modèle numérique de comportement est établi en tenant compte des différents phénomènes observés influençant la fissuration: la plasticité, les effets de vitesse et l’endommagement. Le modèle ainsi défini permet de tenir compte de la plupart des phénomènes observés. Cependant, le recours aux modèles adoucissants pour la modélisation de l’endommagement et des effets thermiques à haute vitesse entraîne une dépendance pathologique des résultats au maillage utilisé (taille, orientation). Ce problème est résolu par l’implantation d’une méthode de régularisation non-locale adaptée aux calculs en dynamique rapide. Une variable non-locale est alors calculée à travers l’enrichissement d’éléments finis (solides et coques). Celle-ci est traitée comme un nouveau degré de liberté, facilitant ainsi l’échange de l’information entre les éléments tout en conservant la paraléllisation du code. Cette variable est ensuite introduite dans les équations constitutives permettant par la suite d’obtenir l’indépendance des résultats au maillage. La validation de l’approche proposée est finalement réalisée grâce à la confrontation avec des résultats expérimentaux.

Résumé de la thèse en anglais

In the event of a car crash, parts made of metal sheets are subjected to failure. Failure of ductile materials is currently not reliably predicted in an industrial context, involving additional costs and delays in the design process. This issue is then addressed in this Ph.D thesis work of the PSA Group carried out in collaboration with Onera and the Centre des Matériaux. The aim of this work is to develop and implement a reliable numerical strategy for crack prediction using the Finite Element Method (FE) in automotive crash simulations. A first part of this work consists in characterizing and then modelling the plastic and fracture behavior of a representative ductile material: the DP450 steel sheets. To do so, tests are performed over a wide range of loading rates, stress triaxialities, and at different temperatures. From the obtained results, a numerical constitutive model is built by taking into account the different observed phenomena influencing crack initiation and propagation: plasticity, strain-rate effects and damage. The constitutive model thus enables to take into account most of the observed phenomena. However, the use of softening models for modelling damage and thermal effects at high loading rate leads to a pathological dependence of the results on the mesh size and the mesh orientation. This problem is solved by the implementation of a non-local regularization method adapted to dynamic explicit computations. A non-local variable is then computed through the enrichment of finite elements (continuum and shell). It is therefore treated as a new degree of freedom, which facilitates the exchange of data between the elements while preserving the parallelization of the code. This variable is then introduced into the constitutive equations, allowing to obtain mesh independent results. The validation of the proposed approach is finally realized through the simulation of experimental results.

Titre anglais : Numerical modelling of crack initiation and propagation in ductile metallic sheets for crash simulations.
Date de soutenance : mercredi 11 décembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech, 60 Boulevard Saint-Michel 75006 Paris – CC) L109
Directeurs de thèse : Jacques BESSON, Sylvia FELD-PAYET

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Étude et amélioration des méthodologies de couplage aérothermique fluide-structure

Résumé de la thèse en français

Ces travaux s'inscrivent dans la résolution de problèmes couplés aérothermiques. Il s'agit notamment d'améliorer les méthodes de couplage en termes de précision et de robustesse. La stabilité du couplage aérothermique en régime permanent a été d'abord étudiée (couplage faible). Un nombre de Biot numérique a été défini ce qui permet d'évaluer l'intensité de l'interaction thermique fluide-structure. Plusieurs méthodes (Dirichlet-Robin, Neumann-Robin et Robin-Robin) ont été étudiées et leur domaine de validité a été défini. La méthode Dirichlet-Robin avec un coefficient de sécurité s'est avérée la plus robuste et simple à mettre en œuvre. La prise en compte du rayonnement implique une déstabilisation majeure du problème aérothermique. La méthode de stabilisation a donc été modifiée afin de pouvoir stabiliser ce type de calcul. Dans un deuxième temps, la résolution de problèmes couplés aérothermiques en régime transitoire a été étudiée via l'algorithme partitionné quasi-instationnaire. Il s'agit d'une procédure itérative (couplage fort) entre le solide en régime transitoire et des état fluides en régime stationnaire, assurant ainsi l'égalité des flux de chaleur et de la température à chaque instant de couplage. La précision de cet algorithme a été analysée et améliorée. Enfin, l'algorithme quasi-instationnaire a été analysé sur des problèmes aérothermiques quasi-industriels de disques de turbine et compresseur aéronautiques.

Résumé de la thèse en anglais

This work deals with the solution of coupled aerothermal problems. The aim of the work is to improve the accuracy and robustness of the coupling techniques. The stability of the aerothermal coupling for steady state problems is first studied (weak coupling). A numerical Biot number is defined, which allows to evaluate the intensity of the fluid-structure thermal interaction. Several methods (Dirichlet-Robin, Neumann-Robin and Robin-Robin) are studied and their ranges of validity are defined. The Dirichlet-Robin method with a safety coefficient, which presents the easiest implementation, proves to be the most robust. Taking radiation into account implies a major destabilization of the aerothermal problem. Thus, the stabilization method is modified in order to be able to stabilize this type of calculation. In the second part, the solution of coupled aerothermal problems in the transient regime is studied using the quasidynamic partitioned algorithm. This is an iterative procedure (strong coupling) between the thermal problem in the solid solved in the transient regime and the flow field at the steady state, thus ensuring equal heat flux and temperature at each coupling time. The accuracy of this algorithm is analysed and improved. Finally, the quasi-dynamic algorithm is analysed on quasi-industrial aerothermal problems of aeronautical compressor and turbine discs.

 

Titre anglais : study and improvement of methodologies for aerothermal fluid-structure coupling
Date de soutenance : mercredi 4 décembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech PSL 60 boulevard Saint-Michel 75006 PARIS – L109
Directeurs de thèse : Frédéric FEYEL, Marc-Paul ERRERA

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Plasticité cristalline appliquée aux agrégats sous des chargements cycliques non symétriques: analyse mécanique et réduction de l'ordre des modèles

Résumé de la thèse en français

Le domaine de la mécanique, en particulier de la micromécanique, a connu de grands développements. Il est bien connu que l'écoulement plastique dans un monocristal est anisotrope, ce qui peut être modélisé à l'aide de lois de comportement phénoménologiques à l'échelle moyenne. Le développement de lois micromécaniques a pour objectif de relier le comportement de chaque grain, de prédire l'évolution de la plasticité et, à son tour, de rendre compte des propriétés macroscopiques de la structure. Cette thèse a porté sur deux problèmes physiques, à savoir le comportement des matériaux soumis à un chargement asymétrique dans des conditions limites fondées soit sur des contraintes cycliques soit sur des déplacements cycliques. Ces chargements entraînent une accumulation de contrainte supplémentaire ou une relaxation de contrainte moyenne à l'échelle macroscopique. Les modèles numériques conventionnels donnent un excès des deux quantités. Dans ce travail, il est montré qu'une approche par éléments finis de plasticité cristalline de mésoéchelle peut répondre à ces deux problèmes. Différents états mécaniques existant dans des structures chargées cycliquement sont examinés et une interprétation micromécanique est donnée concernant leur comportement macroscopique caractéristique. Les résultats statistiques de différentes quantités constitutives au sein d'un polycristal sont également analysés, ce qui permet de mieux comprendre ce qui se passe au niveau local. Plus important encore, l'objectif de ce travail est d'identifier les zones de défaillance locales critiques dans le composant et de déterminer pourquoi ces zones sont exposées aux dommages. L'autre partie de la thèse concerne le traitement de données volumineuses dans le domaine de la science des matériaux informatique. Tout en résolvant des problèmes d'éléments finis à grande échelle, de grandes quantités de ressources de calcul sont utilisées et souvent les résultats au cours du temps sont ignorés après les études et ne sont utilisés pour les prévisions futures. Dans ce travail, il est montré qu'en utilisant des données déjà générées, de nouveaux cas de test peuvent être prédits à partir de simulations précédentes. La méthode utilisée est appelée hyper-réduction hybride. Elle utilise un protocole d'apprentissage automatique non supervisé associé à la technique gappy POD pour exécuter des simulations aux éléments finis réduits. Des résultats de fatigue à faible nombre de cycles dans un superalliage à base de fer et de nickel (Inconel 718) sont utilisés comme test.

Résumé de la thèse en anglais

The field of mechanics, particularly micromechanics, has undergone great developments. It is well known that plastic flow in a single crystal is anisotropic which may be modeled using phenomenological constitutive laws at the mesoscale. The idea behind the development of micromechanical laws is to relate the behavior of each individual grain, predict evolving plasticity, and in turn account for the macroscopic properties of the structure. Two physical problems have been considered is this thesis i.e. the behavior of materials when they are asymmetrically loaded under cyclic stress or strain based boundary conditions. These loadings cause incremental strain accumulation or mean stress relaxation at the macroscopic scale. Conventional numerical models give an excess of both quantities. In this work it is shown that a mesoscale crystal plasticity finite element approach can give an answer to both problems. Different mechanical states existing in cyclically loaded structures are scrutinized and a micromechanical interpretation is given about their characteristic macroscopic behavior. Statistical results of different constitutive quantities within a polycrystal are also analyzed which give a new insight into what is happening at a local level. More importantly, the focus of this work is to pinpoint critical local regions of failure in the component and to characterize why these regions are prone to damage. The other part of the thesis pertains to big data problems in computational materials science. While solving large scale finite element problems, vast amounts of computational resources are utilized and many a times the evolving results are discarded after studying; not using them for future predictions. In this work it is shown that by utilizing already generated data, new test cases may be predicted from previous simulations. The method employed is called hybrid hyper-reduction which uses an unsupervised machine learning protocol coupled with the gappy POD to run reduced finite element simulations. Low cycle fatigue in a nickel iron based super alloy (Inconel 718) is taken as a test case.

Titre anglais : Crystal plasticity applied to aggregates under non-symmetric cyclic loadings: Mechanical analysis and model order reduction
Date de soutenance : mardi 3 décembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – L109
Directeurs de thèse : Samuel FOREST, David RYCKELYNCK

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Propagation de fissures en fatigue oligocyclique multiaxiale à haute température pour le superalliage HAYNES® 188

Résumé de la thèse en français

Cette étude s'inscrit dans le cadre du projet ANR SEMAFOR (ANR-14-CE07-0037) (Simulation et caractérisation Expérimentale de la FissuratiOn en plasticité généRalisée) en partenariat avec l'ONERA, LMT Cachan et SAFRAN. Sous les conditions de hautes températures, certaines pièces aéronautiques subissent des chargements sévères nécessitant de prendre en compte la propagation de fissures de fatigue pour optimiser le dimensionnement et la sécurité des pièces. L'intensité des chargements et des températures provoquent une forte plastification dans la zone de propagation de fissures. Le matériau de l'étude est un superalliage à base de Cobalt, le HAYNES 188, utilisé principalement pour les chambres de combustion aéronautiques. Cette étude consiste à caractériser expérimentalement la propagation de fissure en fatigue oligocyclique sous sollicitations biaxiales. La conception d'un essai original de propagation de fissure à haute température est développée pour des chargements biaxiaux coplanaires. Un inducteur de type pancake a été conçu afin de réduire le gradient thermique dans la zone centrale de l'éprouvette. Ce dispositif a été utilisé pour construire une étude approfondie d'essais biaxiaux dans les conditions de fatigue oligocyclique à haute température. Les mesures des champs de température par thermographie infra-rouge et une méthodologie expérimentale ont ainsi été mises en place afin d'appréhender au mieux les conditions de propagation de fissure. La détermination expérimentale des vitesses de propagation de fissures est l'un des objectifs majeurs de l'étude. Les essais ont été modélisés à l'aide de calculs par éléments finis. Un post-processeur, sans insertion de fissure, a permis de valider un modèle macroscopique de propagation de fissure basé sur des grandeurs énergétiques. A l'aide d'outils de remaillage conforme, la propagation de fissure a été modélisée par introduction explicite de la fissure observée expérimentalement. Cette démarche a permis d'analyser les grandeurs mécaniques pilotant la propagation de fissure de fatigue sous les conditions de plasticité étendue à haute température, afin d'établir des outils de modélisation 3D de propagation de fissure explicite.

Résumé de la thèse en anglais

This study is concerned with the SEMAFOR (ANR-14-CE07-0037) project in collaboration with ONERA, Mines ParisTech, LMT Cachan and Safran. In very high temperature condition, as found for some engine aircraft components, crack could initiate near perforated zones. Once a crack is initiated, further degradation by crack growth is the result of a complex set of phenomena: multiaxial fatigue loading, thermal gradients and large scale yielding under oxidizing environment. The purpose of this study is to analyse the fatigue crack growth of the superalloy HAYNES 188 under such conditions with biaxial tests. The design of an original experiment is a challenging issue to conduct biaxial tests at high temperature. A specific inductor (pancake) was designed to decrease thermal gradient within the gage length. Subsequent thermal field has been measured using Infra-red thermography. An experimental methodology was developped to ensure a deep analysis of the crack growth. One of our major purpuse is the determination of the experimental fatigue crack growth rate in such conditions. A finite element numerical analysis was achieved using a post-processing methodology based on energy partition. This model has been successfully validated, at first without crack insertion, for cruciform specimen tests with neither modification of the model constitutive parameters. Using consistent remeshing tools, crack propagation was modeled by explicit introduction of the crack observed experimentally. This approach leads to analyze the mechanical quantities controlling the fatigue crack growth under large scale yielding at high temperature, in order to establish tools for 3D modeling of explicit crack propagation.

Titre anglais : Crack growth under multiaxial low cycle fatigue at high temperature for the HAYNES® 188 superalloy
Date de soutenance : jeudi 28 novembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – V107
Directeurs de thèse : Vincent MAUREL, Alain KOSTER

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Caractérisation mécanique d'alliages de titane soudés par friction linéaire

Résumé de la thèse en français

Le comportement mécanique en traction, la résistance en fatigue et la ténacité de joints soudés par friction linéaire (LFW) en titane (Ti) ont été étudiés et comparés aux matériaux de base (MB). Les alliages de titane sont largement utilisés dans l'industrie aéronautique dans laquelle on cherche à réduire les étapes d'usinage, par exemple en utilisant de nouvelles techniques d'assemblage. LFW est un procédé de soudage à l'état solide dans lequel un composant fixe est mis en contact contre un autre composant décrivant un mouvement alternatif. Après une courte période de friction, une pression de forgeage est appliquée pour obtenir un raccourcissement axial. Ce procédé est très rapide, présente peu de défauts et est censé extruder les contaminants hors de la soudure. Les joints soudés Ti LFW pourraient être exposés à des fortes sollicitations mécaniques ce qui a été peu étudié. Le comportement mécanique des joints soudés a été étudié ici en lien avec la microstructure et les défauts potentiels sous-jacents. Des mesures de champs ont révélé la déformation locale et temporelle des zones de la soudure. Par ailleurs, des mesures de champs 3D ont aussi été utilisées pour établir une nouvelle procédure d'alignement de machines de fatigue. Le joint mono-matériau Ti6242 a montré une résistance supérieure au matériau de base. La déformation locale et la vitesse de déformation normalisée ont été abordées par stéréo-corrélation d'images et elles ont souligné une activité plastique précoce dans le voisinage du noyau de la soudure qui a été attribuée aux contraintes résiduelles. Pour la durée de vie visée de 10e5 cycles, la résistance en fatigue a légèrement été réduite mais elle a également été compromise par une forte dispersion due à un amorçage interne de fissure de fatigue en « œil de poisson », observé autour d'un défaut dendritique inattendu. Ce défaut a été associé à une fusion localisée lors du soudage, dû à la présence de laiton émanant de l'usinage par électroérosion. Des entailles ont été usinées pour des mini-éprouvettes axisymétriques et plates, centrées sur le noyau pour approfondir sa caractérisation. Des observations tomographiques ont dévoilé un mécanisme ductile pour le MB et une rupture abrupte pour le noyau. La rupture a eu lieu en partie au niveau du noyau après une déformation plastique. Aucun effet de contamination avant soudage n'a été observé. Pour approfondir l'étude de la contamination avant soudage, deux joints bi-matériaux Ti17-TA6V ont été produits. Le premier a été soudé après avoir été coupé par électroérosion et le deuxième a été poli avant soudage. Pour la configuration étudiée ici, le mécanisme autonettoyant du LFW n'a pas réussi à extruder les contaminants présents dans l'interface et a induit une rupture pseudo-fragile au niveau du noyau pendant les essais de traction, fatigue et ténacité. Le joint nettoyé avant soudage a montré une rupture ductile tantôt au niveau du MB TA6V tantôt au niveau de la zone thermomécaniquement affectée (TMAZ) côté Ti17. L'amorçage des fissures de fatigue a eu lieu avec une résistance réduite par rapport au MB. La ténacité a également été dégradée et le faciès de rupture au niveau de la TMAZ a dévoilé des clusters de cavités allongées et parallèles. Pour améliorer les propriétés de la TMAZ Ti17, un traitement thermique post soudage a été appliqué à un joint LFW mono-matériau Ti17. Le joint non-traité a montré une résistance mécanique inférieure au MB liée à la dissolution de la phase alpha dans le voisinage du noyau. En effet, la TMAZ Ti17 a été identifiée comme une zone faible puisque la rupture y a eu lieu en révélant une réduction importante de la ductilité macroscopique comparé au MB. De la même manière, l'amorçage de fissure par fatigue a eu lieu au niveau de la zone faible avec une réduction conséquente de la résistance à la fatigue. Le traitement post soudage a permis de retrouver avec succès des propriétés proches de celles du MB.

Résumé de la thèse en anglais

The mechanical properties in terms of tensile behaviour, fatigue strength and toughness of linear friction welded (LFW) joints were studied and compared to the parent materials' (PM) behaviour. Titanium (Ti) alloys are widely used in the aerospace industry in which there is a need to improve the buy-to-fly ratio, e.g. by the use of novel joining techniques. LFW is a solid state joining process that works as follows: A fixed workpiece is pushed against another following a linear oscillatory motion. After a short friction stage, a forging pressure is applied to achieve a target axial shortening. This process is quick, presents few defects and is supposed to be self-cleaning. Ti LFW joints could be exposed to heavy mechanical loads. Yet, few results are available. The mechanical behaviour of the LFW was assessed in light of the underlying microstructure, in particular potential defects. Field measurements revealed the local and temporal deformation behaviour of the different weld zones. 3D field measurements were also used to establish a new procedure to align fatigue testing machines. For the similar Ti6242 LFW joint, the weld showed a strength overmatch. This led to a reduced macroscopic ductility and fracture occurred in the PM. Local strain and normalized strain rate were assessed by stereo digital image correlation (DIC) and revealed an early plastic activity at yielding in the vicinity of the WCZ, attributed to residual stresses. For the target life of 10e5 cycles, the fatigue strength was slightly reduced but compromised by strong scatter. Indeed, an internal fish-eye fatigue crack initiation was found on an unexpected dendritic defect that was different from the martensitic microstructure in the WCZ. The dendritic defect was linked to localized melting due to the presence of prior to welding brass contaminants at the weld interface, resulting from electrical discharge machining (EDM). To investigate further the behaviour of the WCZ, notches of axisymmetric and flat micro-tensile specimens were placed in this zone. In situ synchrotron tomography showed ductile damage mechanisms for the PM and very sudden failure for the WCZ without prior damage development at the micrometre scale. Failure occurred partly along the weld interface after some plastic deformation of the weld. No effect of weld contamination prior to welding was observed. To study further the effect of surface contamination prior to welding, two dissimilar Ti17-Ti64 LFW joints were assessed. The first was welded in the EDM as machined state and the second joint was ground prior to welding. For the studied configurations, the LFW self-cleaning mechanism failed to extrude the EDM brass contaminants into the flash and led to a pseudo-brittle fracture at the WCZ during monotonic and cyclic loading and fracture toughness testing. During tensile testing of the pre-cleaned joint, failure occurred after some plastic deformation sometimes at the Ti64 PM and sometimes at the Ti17 thermo-mechanically affected zone (TMAZ). Fatigue cracks initiated at Ti17 TMAZ with a reduced fatigue strength compared to the PM. Fracture toughness was also significantly reduced and the fracture surface at the TMAZ highlighted unexpected clusters of parallel and elongated voids. To enhance the properties of the TMAZ a post weld heat treatment was applied to a similar Ti17 LFW joint. The as welded joint showed a strength undermatch due to a depletion of the alpha phase in the vicinity of the WCZ. Indeed, the Ti17 TMAZ was identified as a weak zone since failure occurred at this location during tensile testing highlighting a significant reduction in macroscopic ductility compared to the PM. Similarly, for a target fatigue life of 10e5 cycles, fatigue crack initiation occurred at the weak zone with a significant reduction in fatigue strength. The post-weld heat treatment allowed the PM microstructure and tensile and fatigue properties to be regained.

Titre anglais : Mechanical characterization of Linear Friction Welded Titanium alloys
Date de soutenance : jeudi 21 novembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – L109
Directeur de thèse : Thilo MORGENEYER

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Simulation numérique de la localisation intra-granulaire de la déformation au sein de polycristaux irradiés

Résumé de la thèse en français

Les polycristaux irradiés sont connus pour être le siège d'une intense localisation de la déformation plastique à l'échelle du grain, causant une diminution de leur ductilité ainsi qu'une sensibilité accrue à la corrosion sous contrainte. Cette thèse met à profit les performances offertes par le développement des solveurs FFT massivement parallèles pour améliorer la modélisation de ce phénomène crucial. Nous avons mis au point des méthodes de traitement permettant l'analyse systématique de la nature des bandes de localisation, ainsi que leur caractérisation quantitative, à partir des champs issus de la simulation haute résolution de cellules polycristallines. Elles ont permis de mettre en évidence les limites fondamentales de la plasticité cristalline classique, fondement des modèles de métaux irradiés actuels, quant à la prédiction des modes de localisation intra granulaire du glissement plastique. Pour y remédier,nous avons étudié en détail les prévisions analytiques et numériques d'un modèle de plasticité à gradient, en étendant l'implémentation du solveur AMITEX_FFTP à la résolution de problèmes non locaux. Nous avons pu montrer qu'il constitue un cadre prometteur pour une modélisation physiquement fidèle des modes de localisation intra-granulaires dans les polycristaux adoucissants, donc a fortiori pour les métaux irradiés. Par ailleurs, nous avons également abordé ce problème par la modélisation explicite des bandes de glissement. Nous avons amélioré ses performances grâce au développement de modèles de voxels composites génériques, et montré que cette approche constitue une alternative efficace pour simuler les conséquences de la localisation de la déformation, comme la modification de la distribution de contraintes aux joints de grains, ou l'augmentation de l'écrouissage cinématique.

Résumé de la thèse en anglais

Irradiated polycrystals are known to exhibit an intense localization of plastic deformation at the grain scale, responsible for a severe loss of ductility and increased sensitivity to intergranular stress corrosion cracking. This thesis takes advantage of the performances offered by the recent progresses of highly parallel FFT-based solvers, to improve the modeling of this crucial phenomenon. We developed field processing methods to produce a systematic analysis of the nature and quantitative characterization of localization bands, from high resolution polycrystalline simulation results. They allowed to evidence a fundamental shortcoming of classical crystal plasticity, cornerstone of all irradiated metals models, in the prediction of intragranular localization modes. To overcome this issue, we extended the scope of our FFT solver, AMITEX_FFTP, to nonlocal mechanics. We used it to extensively study the analytical and numerical predictions of a strain gradient plasticity model, showing that it is a promising way to achieve an accurate modeling of plastic slip localization modes in softening polycrystals, and a fortiori for irradiated metals. Additionally, we explored the explicit modeling of slip bands with FFT-based solvers. We developed generic composite voxel models allowing to strongly reduce its computational cost. We show that this approach provides an efficient way to simulate the consequences of strain localization, such as the evolution of the grain boundary stress distribution or the increased kinematic hardening.

Titre anglais : Numerical Simulation of strain localization in irradiated polycristals
Date de soutenance : mercredi 20 novembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech, 60 Boulevard Saint Michel, 75272 PARIS Cedex 06 – L218
Directeurs de thèse : Samuel FOREST, Lionel GELEBART

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Modélisation de la rupture ductile par approche locale : simulation robuste de la déchirure

Résumé de la thèse en français

L'objectif principal de ce travail est de proposer et établir une stratégie de modélisation robuste, fiable et performante pour réaliser des avancées de fissure centimétriques dans des structures industrielles nécessairement 3D. Le modèle d'endommagement de GTN écrit en grande déformation est utilisé pour modéliser l'endommagement ductile. Ce modèle appartient à l'approche locale. Il est connu que cette approche peut conduire au problème de localisation de déformation. Il est nécessaire d'utiliser un modèle non local pour résoudre ce problème. Dans ce travail, le modèle non local avec une formulation de plasticité à gradient est adopté. Grâce à ce modèle, le problème numérique de la dépendance au maillage est bien réglé. Par ailleurs, dans ce travail, le problème de verrouillage volumique est limité par une formulation des éléments mixtes. La distorsion des éléments cassés est traitée par un modèle visqueux-élastique. Une rigidité et un temps caractéristique sont introduits dans ce modèle: cette rigidité peut éviter la distorsion des éléments, conduisant à des contraintes résiduelles qui tend vers zéro avec le temps. Le modèle de GTN non local avec des traitements spéciaux aux différents problèmes numériques est donc établit. Afin de savoir comment utiliser ce modèle pour faire des simulations fiables, des analyses numériques sont faites. Ensuite, le modèle de GTN est appliqué à simuler la grande propagation dans un milieu infini (condition de la plasticité confinée). Une relation linéaire entre la longueur non-locale implicitement introduit par the terme de gradient plasticité et la largeur de la band de localisation est établie. L'émoussement, l'amorçage et la propagation de fissure sont bien prédits par ce modèle. Une plage assez large pour chaque paramètre de plasticité et d'endommagement peut être utilisée d'une manière fiable si bien que la ténacité et la déchirure de matériau peuvent être exhaustivement étudiées. Tous ces résultats surlignent la robustesse de notre modèle. Enfin, le modèle de GTN est employé dans le cadre du projet ATLAS+. Les paramètres du modèle sont identifiés avec les résultats expérimentaux d'AE. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour prédire les comportements des autres éprouvette (CT et SENT) et du tube industriel. Selon les résultats obtenus, le modèle de GTN permet de prédire l'émoussement, l'amorçage et la propagation de fissure dans ces différentes éprouvettes et le tube. Il est souligné qu'à peu près deux millions degrés de liberté sont intervenus dans le calcul du tube. La robustesse, la fiabilité et la performance de notre modèle sont démontrés de nouveau.

Résumé de la thèse en anglais

The major goal of this work is to propose and establish a robust, reliable and efficient modeling for the prediction of crack propagation in three-dimensional industrial cases with a distance of centimeter along crack path. The GTN damage model written at finite strains is chosen in this work for the modeling of ductile fracture. This model belongs to the category of local approach. It is well known that this approach leads to the issue of strain-localization. Nonlocal constitutive relations are required to solve this issue. In this work, a formulation of gradient plasticity is adopted. The hardening variable is regularized to simultaneously control the plastic localization and the damage localization. It is demonstrated that the nonlocal model can effectively reduce mesh-sensitivity in finite element simulations. As for other numerical issues, volumetric locking is handled with a mixed element formulation, highly distorted elements are regularized by a viscous-elastic model. An additional stiffness and a characteristic time are introduced in the viscous-elastic model: the stiffness can preclude distortion, resulting in a (small) viscous stress which vanishes with time. Consequently, the nonlocal GTN model with special treatment for different numerical issues is established. In order to know how to correctly use the improved GTN model and thus to perform reliable simulations, some numerical analyses of this model are conducted. After that, the GTN model is applied to simulate large crack propagation under small-scale yielding conditions. A linear relationship between the non-local intrinsic length implicitly introduced by the hardening gradient terms and the width of the damage/strain localization band is established. Crack tip blunting, crack initiation and large crack propagation are well captured with the improved model. Wide ranges for the plasticity and damage parameters can be used in a reliable way so that toughness at crack initiation as well as ductile tearing behavior can be thoroughly studied. All these results highlight the robustness of the improved model. Finally, the GTN model is used in the framework of the UE project ATLAS+, the model parameters are firstly fitted according to the experimental results of NT and then used to predict the behavior of other small-scale specimens (CT, SENT) and the large-scale pipe FP1. According to the obtained results, the improved GTN model is able to predict crack tip blunting, crack initiation and crack propagation in these small or large structures. It should be noticed that around two million degrees of freedom is involved in the simulation of pipe. The robustness, the reliability and the performance of the improved model are thus demonstrated again.

Titre anglais : Modeling of ductile fracture using local approach : reliable simulation of crack extension
Date de soutenance : mercredi 20 novembre 2019 à 14h30
Adresse de soutenance : 7 Boulevard Gaspard Monge, 91120, Palaiseau – EDF Lab Saclay
Directeur de thèse : Jacques BESSON

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Mécanique des aubes et des disques de turbine

Conférence scientifique de Samuel Forest, enseignant-chercheur au Centre des matériaux MINES ParisTech, médaille d'argent du CNRS.

La glorieuse épopée de la motorisation des avions et hélicoptères en France atteint aujourd'hui des sommets. La compagnie Safran, issue de Snecma, développe et vend des moteurs à succès qui sont des concentrés de haute technologie mettant à contribution toutes les sciences de l'ingénieur.

La conférence mettra en valeur ces véritables bijoux que sont les aubes de la turbine haute pression. Des bijoux, car ce sont des monocristaux métalliques, présentant un ordre atomique aussi rigoureux que celui des magnifiques cristaux minéraux que l'on peut admirer au Musée de minéralogie de l'École des Mines de Paris.

Le développement de ces pièces est le résultat de 40 ans de recherche concertée entre partenaires académiques et industriels avec un fort soutien de l'État.

On discutera les sollicitations mécaniques que subissent ces pièces critiques et on essaiera de prévoir leur durée de vie pour les remplacer avant l'accident !

Cette conférence s'inscrit dans le cadre du partenariat de l'École avec le théâtre municipal de Fontainebleau.

Lieu : MINES ParisTech – 35, rue Saint-Honoré – Fontainebleau (14h)

Contact : Isabelle Olzenski