Modélisation du comportement mécanique des aciers austénitiques inoxydables en fatigue pure et en fatigue-relaxation

Modeling of the mechanical behavior of austenitic stainless steels under pure fatigue and fatigue-relaxation loadings

• Auteur / Autrice : Fatima Hajjaji Rachdi
• Direction : Maxime Sauzay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et mécanique
• Date : Soutenance le 20/07/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude du Comportement Mécanique des Matériaux (CEA, Saclay)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ladislas P. Kubin, Olivier Castelnau, Renald Brenner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Favier, Bernard Viguier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les cristaux

Viscoplasticité

Mots clés libres

Homogénéisation à champs moyens

Plasticité cristalline

Viscoplasticité

Montée des dislocations

Calculs éléments finis

Viscoplasticity

Dislocation climb

Résumé

Les aciers austénitiques inoxydables sont des candidats potentiels pour des composants de circuits des réacteurs de génération IV. Ces composants sont conçus pour fonctionner à hautes températures (500-600°C) et seront soumis à des sollicitations cycliques incluant de longs maintiens (~1mois) induisant une relaxation due aux phénomènes de viscoplasticité et de diffusion de lacunes. Ces temps de maintien sont inaccessibles en laboratoire d'où l'intérêt de la modélisation. L'objectif de cette étude a été de proposer des modèles de comportement capables de reproduire les différents mécanismes physiques observés expérimentalement. Dans un premier temps, une étude expérimentale a été menée sur l'acier 316L(N) incluant des essais de fatigue et de fatigue-relaxation à 500°C. Des essais de traction à différentes vitesses de déformation ont également été réalisés afin d'étudier le phénomène du vieillissement dynamique. La démarche de modélisation a été progressive. Nous nous sommes d'abord intéressés à la modélisation du comportement mécanique en fatigue pure et à température ambiante, pour différents matériaux métalliques de structure cubique à faces centrées dont l'acier 316L(N), en adoptant l'homogénéisation à champs moyens validée grâce à des calculs par éléments finis multicristallins. Ensuite, un modèle cristallin basé sur les densités de dislocations a été proposé et identifié pour des chargements de traction simple. Le modèle a ensuite été enrichi afin de prendre en compte les mécanismes de viscoplasticité, de montée et le vieillissement dynamique. le modèle fait appel à trois paramètres ajustables seulement et prédit correctement les courbes de traction et de relaxation.

Austenitic stainless steels are potential candidates for structural components of sodium-cooled fast neutron reactors. Many of these components will be subjected to cyclic loadings including long hold times (~ 1month) under creep or relaxation at high temperature. These hold times are unattainable experimentally. The aim of the present study is to propose mechanical models which take into account the involved mechanisms and their interactions during such complex loadings. First, an experimental study of the pure fatigue and fatigue-relaxation behavior of 316L(N) at 500°C has been carried out with very long hold times (10h and 50h) compared with the ones studied in literature. Tensile tests at 600°C with different applied strain rates have been undertaken in order to study the dynamic strain ageing phenomenon. Before focusing on more complex loadings, the mean field homogenization approach has been used to predict the mechanical behavior of different FCC metals and alloys under low cycle fatigue at room temperature. Both Hill-Hutchinson and Kröner models have been used. Next, a physically-based model based on dislocation densities has been developed and its parameters measured. The model allows predictions in a qualitative agreement with experimental data for tensile loadings. Finally, this model has been enriched to take into account viscoplasticity, dislocation climb and interaction between dislocations and solute atoms, which are influent during creep-fatigue or fatigue relaxation at high temperature. The proposed model uses three adjustable parameters only and allows rather accurate prediction of the behavior of 316L(N) steel under tensile loading and relaxation.