Numerical modeling of ODS steel tubes pilgering
Modélisation numérique du laminage à pas de pèlerin de tubes en acier ODS
Résumé
For new fast-neutron sodium-cooled Generation IV reactors, the candidate cladding materials for the very strong rates of combustion are the ferritic and martensitic oxide dispersion strengthened (ODS) grades. Classically the cladding tube is cold formed by a sequence of cold pilger rolling passes with intermediate heat treatments. Within the framework of a finite element model, the cold pilgering process is investigated. The numerical model takes into account the complex kinematics of the process as well as the material constitutive behavior under cyclic elastic-plastic loadings. Cyclic behaviour of ODS steels was modeled using an elastic-plastic model developed by Chaboche. A procedure for identifying the model parameters was proposed using an inverse analysis method. This procedure was applied to the experimental cyclic test data of only one specimen, using a sequence of cycles with several strain amplitudes. Moreover, the use of numerical sensors to follow the deformation path of a volume element during the process allows estimating the nature and the amplitude of the cyclic deformations. The identification of the deformation path is the first step toward a better understanding of the critical conditions leading to damage and cracking. The ODS steel is highly textured and mechanically anisotropic. Therefore, the possible influence of this anisotropy on the deformation path is analyzed using (i) an isotropic constitutive law, and (ii) an anisotropic law using the Hill quadratic criterion. Integration of a proper damage law or failure criterion as well as the choice of an appropriated constitutive model into the proposed numerical model leads to the possibility of analyzing conditions for which (a) cracking may develop, and (b) recrystallization may take place upon heat treatment.
Pour les nouveaux réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium de Génération IV, les matériaux de gainage de référence pour les très forts taux de combustion sont les nuances ferritiques et martensitiques renforcés par une dispersion d'oxydes nanométriques (ODS). A l'heure actuelle le tube de gainage est mis en forme à froid à partir d'une ébauche tubulaire par une succession de passes de laminage à pas de pèlerin et de traitements thermiques intermédiaires. La modélisation numérique du procédé de laminage à pas de pèlerin pour ces nuances a été entreprise. Le modèle numérique d'élément finis tient compte de la cinématique complexe du procédé ainsi que du comportement du matériau sous chargements cycliques élasto-plastiques. Pour cela, le comportement cyclique des aciers ODS a été modélisé à l'aide d'un modèle élasto-plastique développé par Chaboche. Une procédure d'identification des paramètres du modèle a été proposée en utilisant une méthode d'analyse inverse. Cette procédure a été appliquée aux données expérimentales issues d'un essai cyclique sur une seule éprouvette. Utilisant une séquence de différentes amplitudes de déformations. Par ailleurs, l'utilisation de capteurs numériques a permis de suivre le chemin de déformation d'un élément de volume au cours du procédé afin d'estimer la nature et l'amplitude des déformations cycliques. L'identification du chemin de déformation est la première étape vers une meilleure compréhension des conditions critiques menant à des dommages et de fissures. L'acier ODS est également fortement texturé et mécaniquement anisotrope. Par conséquent, la possible influence de cette anisotropie sur le chemin de déformation est analysée en utilisant (i) une loi de comportement isotrope, et (ii) une loi anisotrope basée sur le critère de Hill quadratique. L'intégration d'une loi adaptée pour la prédiction de dommages ainsi que le choix d'une loi de comportement appropriée dans le modèle numérique proposé conduisent à la possibilité d'analyser les conditions pour lesquelles les fissures peuvent se développer, et la recristallisation peut avoir lieu au moment des traitements thermiques.