Multiscale simulations of intergranular fracture initiation in face-centered cubic metals and alloys : influence of the localised plastic slip deformation

par Bertrand Sicaud

Thèse de doctorat en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Maxime Sauzay et de Laurent Van Brutzel.

Le président du jury était Anne Tanguy.

Le jury était composé de Dominique Leguillon.

Les rapporteurs étaient Peter Hosemann, Miroslav Černý.

  • Titre traduit

    Simulations multi-échelles de l'initiation de la fissuration intergranulaire dans les métaux et alliages cubiques à faces centrées : influence de la localisation du glissement plastique


  • Résumé

    La susceptibilité à la corrosion sous contrainte assistée par irradiation (IASCC) est observée depuis les années 1990 sur des aciers austénitiques inoxydables utilisés pour des composants internes de cuves de réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Les mécanismes de l’IASCC, phénomène de fissuration essentiellement intergranulaire (IG), ne sont pas encore bien et des modèles de prédictions se basant sur des paramètres physiques sont nécessaires. Une corrélation directe, entre l’initiation de la fissuration IG et la localisation du glissement plastique sous la forme de bandes claires, est démontrée pour des aciers exposés à un environnement oxydant ou inerte. Dans ce contexte, des simulations à deux échelles différentes sont effectuées afin d’apporter une meilleure compréhension physique de l’initiation de la fissuration IG. À l’échelle atomique, des simulations de dynamique moléculaire sur nickel pure démontrent l’influence de la multiaxialité des contraintes sur le comportement de divers bicristaux au travers d’une transition entre un phénomène de nucléation de dislocations aux joints de grains et une décohésion de l’interface. Des calculs éléments finis de plasticité cristalline sont utilisés pour l’évaluation des champs de contrainte IG au voisinage d’une ou plusieurs bandes claires. Deux approches multi-échelles sont alors proposées pour la prédiction de la fissuration IG. La cohérence de ces deux approches est démontrée et permet une validation de l’utilisation d’un critère couplé à l’échelle atomique. Le modèle de prédiction utilisé permet de confirmer quantitativement l’influence de la localisation plastique sur l’IASCC et de proposer un effet de la taille de grain.


  • Résumé

    Irradiation assisted stress corrosion cracking (IASCC) of austenitic stainless steels (SS) has been reported for internals components of pressurized water reactor vessels in nuclear power plants since the 1980s-1990s. The underlying mechanisms of IASCC, for which intergranular (IG) cracking initiations are mostly reported, are not fully understood yet, as complex synergistic effects have to be considered and more physically-based prediction models are still required. In particular, localized plasticity, in the form of clear bands, is shown to trigger IG cracking in irradiated 316L SS exposed to either inert or water environments. In that context, simulations at two different scales are performed to provide physical insights for enhancing IG fracture initiation predictions. At the atomic scale, molecular dynamics simulations with a pure nickel EAM potential show the influence of stress multiaxiality over the behaviour of various bicrystals prone to either dislocation nucleation at grain boundary (GB) or GB decohesion. Finite element (FE) computations using crystalline elastoplascity are used for the assessment of IG stress fields at one or several slip bands (and clear bands)/GB impacts. Two different multiscale approaches are then carried out to propose a prediction of IG fracture initiation using a coupled criterion: i) A bottom-up approach, chaining atomistic GB mechanical properties to a FE-based analytical model, ii) A top-down approach, applying FE-computed displacement fields of various slip bands/GBs configurations in MD.The coherency of the two approaches is validated.The model predictions assess the influence of the grain size and the localized plasticity on IASCC.


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