Modélisation micromécanique de la plasticité de transformation dans les aciers par homogénéisation numérique fondée sur la TFR

Micromechanical modelling of transformation plasticity in steels based on fast Fourier transform numerical scheme

• Auteur / Autrice : Takayuki Otsuka
• Direction : Brigitte Bacroix, Renald Brenner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 27/01/2014
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Franciosi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renald Brenner, Jean-Baptiste Leblond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bernacki, Sybrand van der Zwaag

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux -- Propriétés plastiques

Acier

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Mots clés libres

Acier

Plasticité de transformation

Steel

TRansformation Induced Plasticity (TRIP)

Résumé

Au cours de processus thermomécaniques engendrant une transformation de phase dans les aciers, une déformation plastique importante peut se produire sous l’effet d’une contrainte appliquée, même si celle-ci est plus faible que la limite d’élasticité de la phase la plus molle. Ce phénomène s’appelle plasticité de transformation ou TRansformation Induced Plasticity (TRIP), et peut jouer un rôle important sur le contrôle des procédés de transformation industriels. Par exemple, au cours du refroidissement par trempe de produits semi-finis ou finis (plaques, tôles, roues, ...), ce phénomène peut affecter la planéité des produits plats et engendrer des contraintes résiduelles qui vont affecter la qualité finale de produits finis. Il s’avère donc important de prévoir cette plasticité de transformation induite par un chargement thermomécanique donné. Dans cette thèse, un modèle micromécanique de plasticité cristalline avec transformation de phase a été développé. Il s’appuie sur l’utilisation de la transformée de Fourier rapide (TFR) développée pour des milieux périodiques. L’expansion volumique induite par une transformation de phase de type diffusive (« Greewood-Johnson effet ») est prise en compte dans le modèle afin d’estimer la plasticité de transformation et le comportement mécanique pendant la transformation de phase. Les résultats obtenus par TFR ont confirmé l’existence d’une relation linéaire entre contrainte appliquée et déformation plastique induite par la transformation, lorsque la contrainte appliquée faible (c’est-à-dire inférieure à la moitié de la limite d’élasticité de la phase la plus molle). Lorsque la contrainte appliquée est plus élevée, le modèle prévoit que cette relation linéaire n’est plus valable, même si la déformation plastique de transformation augmente toujours avec la contrainte ; ceci est bon accord avec des observations expérimentales. L’interaction entre paramètres microstructuraux (tels que texture, morphologie et taille de grains, ...) et mécaniques (contrainte de rappel, sensibilité à la vitesse de déformation, ...) a été analysée. Il a été montré que tous ces paramètres doivent être pris en compte dans l’estimation de la plasticité de transformation. L’effet de l’écrouissage cinématique de la phase mère sur l’anisotropie de déformation induite a égalament été discuté. Par ailleurs, les résultats numériques obtenus par TFR ont été comparés à des résultats issus de modèles analytiques existants et à des mesures expérimentales. Compte tenu du bon accord entre résultats numériques et expérimentaux, les résultats obtenus par TFR ont servi référence pour améliorer les modèles analytiques existants ; ces nouveaux modèles simplifiés s’avèrent plus précis que ceux proposés auparavant.

During phase transformation in steels, when stress is applied, significant large strain can be observed even though the applied stress is much smaller than the yield stress of the softest phase. The phenomenon is called Transformation Plasticity or TRansformation Induced Plasticity (TRIP). Transformation plasticity is known to play an important role during steel producing processes. For example, during quenching process of plates, sheets, wheels and gear products, the phenomenon affects their shape and residual stresses which determines the quality of products. In this PhD thesis, a micromechanical model of crystal plasticity with phase transformation is developed. It takes advantage of the fast Fourier transform (FFT) numerical scheme for periodic media. Volume expansion along with phase transformation (Greenwood-Johnson effect) is taken into account in the model in order to evaluate the transformation plasticity and mechanical behaviour during phase transformation. The FFT results confirm linear relation between applied stress and transformation plastic strain, if the applied stress does not exceed a half the value of yield stress of the parent phase. For relatively large applied stresses, transformation plastic strain increases nonlinearly with respect to the applied stress. These results agree well with experimental ones. The metallurgical and mechanical interactions during phase transformation are also analysed, such as texture, grain morphology, grain size, back stress effect and viscoplastic deformation effect. It is shown that they cannot be neglected for estimating transformation plasticity. Among others, the role of kinematic hardening of the parent phase on the resulting strain anisotropy is discussed. Finally, the FFT numerical results have been compared with existing analytical models as well as experimental results. Moreover, these FFT computations have been used as references to develop new approximate analytical models. They are shown to improve on previous proposals. These new models were confirmed that they estimate well the transformation plasticity than other analytical models which have been treated in this PhD thesis.