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Analyse numérique de la microplasticité aux joints de grains dans les polycristaux métalliques CFC

Andriamisandratra, Mamiandrianina (2013). Analyse numérique de la microplasticité aux joints de grains dans les polycristaux métalliques CFC. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La rupture par fatigue concerne aujourd’hui encore beaucoup de pièces métalliques soumises en service à un chargement répétitif. À l’échelle de la microstructure, les joints de grains sont connus pour jouer un rôle important dans la tenue en fatigue du matériau grâce au durcissement qu’ils confèrent. Cependant les joints de grains eux-mêmes ou la zone à leur proximité ont souvent été identifiés comme lieux d’amorçage de fissures de fatigue, particulièrement dans le cas des métaux cubiques à faces centrées (CFC). Dans le but de caractériser le comportement micromécanique à proximité de différents types de joint de grain, le comportement à l’interface en traction monotone uniaxiale a été modélisé par la méthode des éléments finis et une loi de plasticité cristalline a été utilisée. De plus, quelques configurations cristallographiques bicristallines ont alors été simulées et leur comportement a été analysé sous un chargement de traction axiale monotone. Le cadre de validité de la modélisation a été restreint à celui des petites déformations (< 5 %).

Quatre critères importants dictant le comportement mécanique cristallin ont été identifiés. Il s’agit de la rigidité élastique, du facteur de Schmid des deux systèmes de glissement les plus favorables, et enfin du ratio entre ces deux plus forts facteurs de Schmid traduisant la propension au glissement simple ou multiple. Des simulations de traction sur des monocristaux ont ainsi permis de comprendre l’influence propre de chaque critère sur le comportement macroscopique (contraintes et déformations) et microscopique (glissements cristallins). Les calculs bicristallins ont ensuite mis en évidence l’activation particulière de certains systèmes de glissement à priori non favorables au niveau du joint de grain. Ce phénomène a été associé avec la nécessité d’assurer la compatibilité mécanique de déformation de part et d’autre de l’interface. Le profil de la déformation dans le sens longitudinal de l’éprouvette a montré une baisse systématique de déformation au niveau du joint et dont l’intensité augmente avec la désorientation angulaire entre les deux grains. L’hétérogénéité de la déformation en chaque section de l’éprouvette est quant à elle surtout liée au caractère fortement anisotrope de la plasticité et s’avère plus prononcée lorsque le mode de déformation est assuré par un glissement simple. Enfin, un cas bicristallin qui présentait une compatibilité microscopique des traces de glissement dans le plan du joint de grain a été étudié. Cependant, aucune corrélation avec le profil de glissement n’a été relevée, une cause macroscopique étant plus vraisemblablement à l’origine du profil observé.

Titre traduit

Numerical analysis of microplasticity of grain bourdaries in FCC materials

Résumé traduit

Fatigue failure is dominated by local mechanisms: strain localization, crack initiation and propagation. Grain boundaries are known for their role in strengthening polycristalline materials but many fracture investigations revealed that fatigue crack initiation frequently occurred from or near grain boundaries, especially in the case of face centered cubic (FCC) materials. In order to characterize an interface behavior and its orientation dependency, a crystal plasticity model was implemented using the finite element method and the behavior of few FCC bicrystalline configurations have been investigated under monotonic loading.

Four criterions have been identified as governing crystal plasticity: the anisotropic elastic modulus, the primary and the secondary system Schmid factors and finally the ratio between the two latter. First, simple monotonic tension simulations of well-defined orientations have permitted to show the effect of each criterion on the single crystal mechanical behavior, in terms of stress-strain curves, progressive slip system activation (plastic hardening), and local crystal rotation. Then, bicrystalline simulations were run and their analysis highlighted a specific elasto-plastic behavior nearby grain boundaries. Particularly, the activation of nonfavored slip systems was noted and is associated with the need of mechanical compatibility across the interface structure. Axial stress and strain profiles have also shown systematic stress maxima near (but not at) the interface and strain minima at the grain boundary. Moreover, the more the strain dropped at the interface, the higher the misorientation between the two crystals increased.

Finally, a particular case where slip trace in grain boundary plan were compatible was investigated in terms of local strain, local stress profiles and slip system activation history. No correlation could be found between the compatibility condition and the mechanical field magnitude. Instead the deformation profile showed the same systematic drop when approaching the grain boundary. Macro-mechanical features such as global rotation, anisotropy and misorientation seemed to be the cause of that drop profile.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliogr. : f. [135]-139.
Mots-clés libres: Polycristaux. Analyse numérique. Méthode des éléments finis. bicristal, CFC, cristallin, grain, joint, localisation, métallique, micro plasticité, plasticité.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bridier, Florent
Dingreville, Remi
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 05 avr. 2013 14:54
Dernière modification: 08 mars 2017 02:32
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1148

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