Acquisition de champs cinématiques de surface visant à évaluer la performance des simulations numériques 3D en plasticité cristalline

Acquisition of kinematic surface fields for the assessment of 3D crystal plasticity numerical simulations

• Auteur / Autrice : Guillaume Protin
• Direction : Lionel Gelebart
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/SRMA - Service de Recherches Métallurgiques Appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Aubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Castelnau, Damien Texier, Alexandre Dimanov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Castelnau, Damien Texier

Mots clés

Mots clés libres

Plasticité cristalline

Solveur FFT

Corrélation d'images numériques

Mesure de champ

Bande de glissement

Déformation intragranulaire

Crystal plasticity

FFT solver

Digital image correlation

Full field measurement

Slip band

Intra-granular strain

Résumé

Ce travail vise à évaluer la capacité des modèles de plasticité cristalline à simuler le comportement intra-granulaire des polycristaux. Cela revêt une importance particulière car la prédiction des hétérogénéités locales de déformation est un point clé dans la rupture fragile des aciers de cuve de réacteur nucléaire. Des comparaisons entre résultats expérimentaux et numériques sont proposées pour différents matériaux, modèles et échelles d'observation. Les résultats sont présentés sur le fer quasi-pur ARMCO, un cristal cubique centré présentant une réponse plastique intra-granulaire ''diffuse'', et sur l'Inconel 718, un cristal cubique à faces centrées exhibant une réponse fortement localisée avec des bandes de glissement intenses, similaire aux matériaux irradiés. Une comparaison macroscopique (essai de traction standard) est présentée pour les deux matériaux et est utilisée pour l'ajustement des paramètres respectifs des modèles. Une comparaison statistique intragranulaire est présentée pour les deux matériaux entre les champs de déformation en surface, expérimentaux et numériques, lors d'un essai de traction à 0 - 3,5 %. Le protocole expérimental complet est présenté, conduisant à l'acquisition de champs de déformation de surface haute résolution à partir de corrélation d'images numériques acquises en Microscopie Électronique à Balayage (MEB) (résolution de déplacement d'environ 1,5 nm, résolution spatiale d'environ 290 nm, et largueur de champ de 400 x 400 μm² > 100 grains), ainsi que les informations de la microstructure cristalline obtenues par Electron Backscatter Diffraction (EBSD). La comparaison met en évidence la capacité des modèles à obtenir une distribution statistique satisfaisante à l'échelle du grain. En revanche, l'analyse grain à grain réalisée sur l'Inconel 718 présente un accord médiocre. De plus, les modèles numériques choisis ne parviennent pas à simuler les champs de déformation fortement localisés observés expérimentalement dans l'Inconel 718. En réponse, un dernier modèle conçu pour provoquer l'apparition de bandes de glissement similaires aux résultats expérimentaux sur l'Inconel 718 est testé. Un modèle viscoplastique de plasticité cristalline est choisi pour lequel la contrainte de cisaillement résolue est hétérogène mais constante par plans de glissement. Les champs de déformation obtenus avec ce modèle sont qualitativement similaires aux résultats expérimentaux sur l'Inconel 718. Une comparaison axée sur les bandes de glissement (intensité, nombre, systèmes de glissement activés, ...) est proposée et met en évidence une distribution statistique satisfaisante des bandes de glissement. Cependant, la comparaison grain à grain n'est une fois de plus pas satisfaisante.

This work aims to assess the capability of crystal plasticity models to simulate the intra-granular responses of polycrystals. This is particularly interesting as the prediction of local strain heterogeneities is a key point for the brittle fracture of RPV steels. Comparisons between experimental and numerical results are proposed for different materials, models, and scales of observations. Results are presented on quasi-pure ARMCO iron, a body-centered cubic crystal presenting a ''diffuse''' intra-granular plastic response, and on Inconel 718, a face-centered cubic crystal exhibiting a highly localized response with intense slip bands similar to irradiated materials. A macroscopic comparison (standard tensile test) is presented for both materials and used for the adjustment of the respective models parameters. A statistical intra-granular comparison is presented for the two materials between experimental and numerical surface strain fields during a tensile test at 0 - 3.5 %. The complete experimental protocol is presented, leading to the acquisition of high-resolution surface strain fields from digital image correlation captured using Scanning Electron Microsopy (SEM) (≈ 1.5 nm displacement resolution, ≈ 290 nm spatial resolution, and 400 x 400 µm² field of view > 100 grains) as well as microstructure information stemming from Electron Backscatter Diffraction (EBSD). The comparison exhibits the capability of the studied models to obtain a statistically representative distribution at the grain scale. However, a grain-to-grain comparison on Inconel 718 showed a mediocre agreement. Moreover, the chosen numerical models are unable to simulate the highly localized strain fields observed in Inconel 718. In response, a final model designed to enforce the apparition of slip bands similar to experimental results on Inconel 718 is tested. The model is a simple viscoplastic crystal plasticity model for which the critically resolved shear stress is heterogeneous but constant along slip planes. The strain fields obtained with that model are qualitatively similar to the experimental results on Inconel 718. A comparison focused on the slip bands (intensity, number, activated slip systems, ...) is proposed and highlights a satisfactory statistical distribution of the slip bands. However, the grain-to-grain comparison is once again not satisfactory.