Durcissement des superalliages monocristallins : des mécanismes physiques à la modélisation continue

Strength of single crystal superalloys : from dislocation mechanisms to continuum micromechanics

• Auteur / Autrice : Aurélien Vattré
• Direction : Benoît Devincre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Anisotropie

Micromécanique (physique du solide)

Plasticité

Alliages réfractaires

Résumé

Ce présent travail s'inscrit dans le cadre de la modélisation multi-échelles de la plasticité cristalline des superalliages monocristallins à base nickel. Dans ce contexte, une transition d'informations recueillies à l'échelle mésoscopique justifiant physiquement un modèle micromécanique est mise en évidence. Un couplage entre une simulation par dynamique des dislocations et la méthode des éléments finis, le Modèle Discret-Continu (MDC) est utilisé afin de reproduire les interactions entre dislocations et précipités. Une première application a pour objet de décrire des effets d'échelle induits par une variation de la largeur du couloir de matrice sur les propriétés mécaniques. La relation entre les microstructures simulées de dislocations, la contrainte d'écoulement et la déformation plastique est appréhendée. Une seconde étude traite l'influence de l'orientation du chargement sur le comportement mécanique du superalliage. Les interactions entre les systèmes primaires et déviés sont discutées et leur rôle majeur dans la localisation de la déformation plastique dans les couloirs de matrice est démontré. Par ailleurs, l'écrantage des interactions élastiques à longues portées associées aux réseaux de dislocations d'interface explique l'origine du faible taux d'écrouissage observé pour des essais orientés <111> à hautes températures. Fortes des interprétations faites à l'échelle des dislocations, deux modélisations de nature très différentes sont développées. Une première évoque dans sa formulation une loi de durcissement dictée par une densité de dislocations géométriquement nécessaires. La formation et l'évolution des microstructures de dislocations sont étudiées : la comparaison avec les résultats obtenus avec le MDC montre les faiblesses de cette approche continue. On justifie ainsi le développement d'un second modèle micromécanique par homogénéisation, pour lequel la réponse globale du matériau est déterminée en considérant les rôles de la microstructure et des interactions mécaniques entre constituants. Dans ce modèle, les mécanismes locaux sont décrits de manière physique et les lois d'écrouissage sont écrites en termes de densités de dislocations mobiles. Il a été identifié à 850 et 950°C, et validé avec succès sur le superalliage CMSX-4 monocristallin

The present work deals with crystal plasticity of single crystal nickel-base superalloys. In this context, a scale transition of transferring information from mesoscale towards a physically justified micromechanical model is shown. A numerical coupling between dislocation dynamic simulations and the finite element method, the so-called Discrete-Continuous Model (DCM) is used in order to take into account the mutual interactions between dislocations and precipitates. In a first application, the dependence of the mechanical properties on the channel width is investigated. The relationship between simulated microstructures of dislocation, flow stress and plastic strain is then analysed. A second set of calculations addresses the anisotropic mechanical response of single crystal superalloys. Analyses of dislocation interactions show the crucial role of one active slip system and its collinear system in the strain localisation in the form of slip bands. Furthermore, screening of long-range elastic interactions associated to the interfacial dislocation network explain the origin of the low hardening rate observed in <111>-oriented specimens at high temperatures. From these interpretations at the dislocation scale, two different modelling approaches are developed. On the one hand, one model uses the geometrically necessary dislocations in a hardening law. Both the formation and the evolution of the dislocation microstructures are analysed: comparison with results obtained by the DCM shows some short comings of this continuous approach. Then, a second micromechanical model based on a homogenisation procedure is justified. Its global response is determined by the microstructure and the mechanical interactions between its subdomains. In this micromechanical model, the local mechanisms are physically described and the constitutive laws are written in terms of mobile dislocation densities. It has been identified at 850 and 950°C, and successfully validated on the single crystal superalloy CMSX-4