Prédictions multi-échelles de l’initiation des microfissures de fatigue

Multi-scales microcracks initiation prediction in fatigue

• Auteur / Autrice : Jia Liu
• Direction : Maxime Sauzay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fatigue thermique

Acier inoxydable austénitique

Polycristaux

Résumé

Certaines zones situées dans les systèmes de canalisations de centrale nucléaire peuvent présenter des réseaux de micro-fissures à cause de la fatigue thermique. Nos objectifs sont de comprendre le mécanisme d’initiation des micro-fissures et d’utiliser la simulation par éléments finis avec Cast3M afin de prédire le comportement cyclique multi-échelles et le nombre de cycles à l’initiation des micro-fissures. Les simulations polycristallines se basent sur des maillages polycristallins avec différentes géométries de grains (cubes, polyèdres de Voronoï ou agrégat ‘réel’ 3D). L’effet de la géométrie de grains est négligeable dans la prédiction de l’écrouissage cyclique macroscopique, mais le nombre de cycles à l’initiation des micro-fissures est plus sensible à cet effet. Les études mettent en évidence une forte similarité entre traction-compression uniaxiale et équi-biaxiale tant du point de vue de l’écrouissage cyclique macroscopique que du nombre de cycles à initiation des micro-fissures qui sont plus favorables à l’initiation de fissure que la torsion alternée. Par ailleurs, la déformation moyenne macroscopique induit une accélération de l’initiation des fissures. Grâce aux simulations monocristallines se basant sur des maillages de monocristaux avec une bande de glissement relié avec une zone cohésive, un nouveau modèle d’initiation des micro-fissures est déduit qui dépend la taille de grain, le taux de production de lacunes, l’orientation du cristal ainsi que de l’énergie de surface. Les prédictions sont en accord avec les observations de la littérature, pour le cuivre et l’acier 316L, des longueurs de BGP très variables et sous environnement inerte ou air.

Some areas in piping systems of nuclear power plants may display networks of micro- cracks due to thermal fatigue. Our aims are to understand the mechanism of micro-crack initiation. Finite element simulations using the software Cast3M have been carried out to predict the multi-scale cyclic behavior and the number of cycles to micro-cracks initiation. Polycrystalline simulations used meshes with different grain geometries (cubes, polyhedra of Voronoi or 'real' 3D aggragate). The effect of grain geometry is negligeable concerning macroscopic cyclic hardening predictions, but the number of cycles to micro-crack initiation is more sensitive to it. Uniaxial and biaxial tension-compression loadings are similar concerning both macroscopic cyclic hardening and number of cycles to micro-cracks initiation alternate twist favorable to crack initiation than the alternate twist. Furthermore, the mean macroscopic deformation induces acceleration of microcrack initiation. Through single crystal simulations based on the single crystal mesh including a slid band connected to the matrix with a cohesive zone, a new micro-crack initiation model is deduced depending on grain size, vacancy production crystal orientation and surface energy. The predictions are consistent with observations published in the literature for copper and 316L steel, a very broad range of grain size and under either inert or air environment.