Etude de la durée de vie et de l'endommagement intergranulaire par fatigue des métaux cubiques à faces centrées : influence de la taille de grains et de l'épaisseur d'éprouvette

par Jérôme Hazan

Thèse de doctorat en Mécanique du solide

Sous la direction de Maxime Sauzay.

Le président du jury était Véronique Favier.

Le jury était composé de Sébastien Vincent, Tomáš Kruml, Luc Rémy, Dominique Leguillon.

Les rapporteurs étaient Fionn Dunne, Vincent Maurel.


  • Résumé

    La compréhension et la prédiction de l’endommagement par fatigue est un enjeu majeur dans la conception de l’échangeur de chaleur sodium-gaz de la prochaine génération de réacteurs nucléaire. Des essais cycliques à rupture ont été réalisés sur des éprouvettes en acier 316L à différentes épaisseurs, pour deux tailles de grains très différentes afin de quantifier l’influence de ces paramètres sur la durée de vie. Ensuite, des essais cycliques interrompus par des séances de microscopie (MEB) ont permis la compréhension des stades précoces de l'endommagement par fatigue induits par une forte taille de grains.Des simulations numériques par éléments finis de la déformation cyclique d’agrégats cristallins ont été réalisées avec le logiciel Cast3M. La localisation de la plasticité sous forme de bandes de glissement persistantes (BGPs) est considérée. L’accroissement de la concentration des lacunes au sein des BGPs induisant une dilatation de ces dernières est introduit. Des prédictions de l’évolution des extrusions formées au travers des joints impactés par les BGPs ainsi que les champs de contraintes associés ont été étudiées. L’ensemble de ces prédictions couplées à deux modèles d’endommagement ont permis la prédiction du nombre de cycles à initiation de microfissures intergranulaires. Finalement, des comparaisons entre mesures expérimentales et prédictions (i) des extrusions des BGPs au travers des joints de grains et (ii) du nombre de cycles à initiation des fissures sont réalisées. Les effets de matériau, de nature des joints de grains et de chargement sur les mécanismes d’initiation de fissures de fatigue sont finalement discutés.

  • Titre traduit

    Study of lifetime and intergranular fatigue damage of face centered cubic metals : influence of grain size and specimen thickness


  • Résumé

    Understanding and predicting the fatigue damage is a major issue in the design of the sodium-gas heat exchanger of the next generation of nuclear reactors.Cyclic tests were carried out on 316L SS specimens with different thicknesses, for two very different grain sizes, in order to quantify the influence of these parameters on the fatigue lifetime. Then, cyclic tests interrupted by microscopy observations (SEM) allowed the understanding of the early stages of fatigue damage induced by a large grain size specimen. Finite element simulations of the cyclic deformation of crystalline aggregates were performed with the Cast3M software. The localization of plasticity in the form of persistent slip bands (PSBs) is considered. The increase of the vacancy concentration in the PSBs, leading to their dilatation is introduced. Predictions of the PSB extrusion through impinged GBs and of the associated stress fields were studied. All these predictions, coupled with two damage models, made possible to predict the number of cycles to intergranular microcrack initiation. Finally, comparisons between experimental measurements and predictions of (i) the PSB extrusion through GBs and (ii) the number of cycles to microcrack initiation are made. The effects of material, nature of GBs and loading conditions on fatigue crack initiation mechanisms are finally discussed.

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