Simulation multiéchelle de la croissance des extrusions et de la propagation des fissures de fatigue près du seuil : application aux métaux et alliages à structure cubique à faces centrées

Multiscale simulation of extrusion growth and fatigue crack propagation in the near threshold regime : application to face-centered cubic metals and alloys

• Auteur / Autrice : Eyouiléki Awi
• Direction : Maxime Sauzay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 31/03/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des matériaux pour le nucléaire (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilbert Hénaff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maxime Sauzay, Philippe Vermaut, Laurent Van Brutzel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David L. McDowell, Derek Warner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus irréversibles

Matériaux -- Fissuration

Matériaux -- Détérioration

Mots clés libres

Fatigue

Croissance des extrusions

Irréversibilité plastique

Initiation et propagation des fissures

Température

Énergie de faute d'empilement

Éléments finis cristallins

Dynamique moléculaire

Fatigue

Extrusion growth

Slip irreversibility

Crack initiation and propagation

Temperature

Stacking fault energy

Crystal plasticity finite element

Molecular dynamics

Résumé

La prédiction de la durée de vie des métaux et alliages soumis à des sollicitations cycliques nécessite la compréhension des mécanismes d'initiation et de propagation des fissures de fatigue. Dans cette thèse de doctorat, nous nous intéressons d'une part à la croissance d'extrusion des bandes de glissement précédant l'initiation des fissures de et d'autre part aux mécanismes de propagation des fissures de fatigue dans les métaux et alliages ductiles sous environnement inerte. Les bandes de glissement sont modélisées via une loi de plasticité cristalline et des calculs thermoélastoplastiques permettent de simuler l’extrusion des bandes de glissement. Les champs de contraintes induits par l’extrusion des bandes de glissement sont évalués et l’initiation des fissures de fatigue est discutée à la lumière des champs de contraintes évalués. D’un autre côté, la propagation des fissures de fatigue a été étudiée grâce aux calculs de dynamique moléculaire avec des potentiels interatomiques de type EAM (Embedded Atom Method). Les simulations ont mis en évidence un mécanisme de propagation des fissures par émission des dislocations et irréversibilité du glissement plastique. Les différentes jonctions entre dislocations et les autres défauts cristallins de même que le glissement dévié sont identifiés comme origine de cette irréversibilité plastique. La faible influence de la température généralement observée dans les expériences et l’influence de l’énergie de faute d’empilement ont pu être expliquées ou du moins partiellement grâce aux microstructures de dislocations observées en pointe de fissure. La propagation des fissures de fatigue en mode mixte est également étudiée.

Predicting the lifetime of metals and alloys subjected to cyclic loading requires an understanding of the fatigue crack initiation and propagation mechanisms. In this Ph.D. thesis we are interested on the one hand in the extrusion formation and growth preceding fatigue crack initiation in metals and alloys and on the other hand in the mechanisms of fatigue crack propagation in ductile metals and alloys under an inert environment. The Persistent Slip Bands (PSBs) are modeled using a crystal plasticity constitutive law with thermal elastic plastic computations to simulate the extrusion formation and growth. The stress fields induced by the extrusions are estimated and the likelihood of fatigue cracks initiation is discussed in the light of the assessed stress fields. The propagation of fatigue cracks has been investigated using molecular dynamics computations with Embedded Atom Method (EAM) interatomic potentials. The simulations revealed a mechanism of fatigue crack propagation by dislocation emission and slip irreversibility. The various dislocation barriers, junctions between dislocations and other lattice defects as well as the cross-slip are identified as the origins of this plastic irreversibility. The weak influence of temperature generally observed in experiments and the effect of stacking fault energy could be explained, or at least partially, thanks to the dislocation microstructures observed around crack-tip. The propagation of fatigue cracks under mixed mode is also studied.