Diogo GONCALVES : Modélisation polycristalline du comportement élasto-viscoplastique des aciers inoxydables austénitiques 316L(N) sur une large gamme de chargements : application à l’étude du comportement cyclique à température élevée

Diogo GONCALVES soutiendra sa thèse Mardi 22 mai 2018, à l’Université Pierre et Marie Curie, sur :

« Modélisation polycristalline du comportement élasto-viscoplastique des aciers inoxydables austénitiques 316L(N) sur une large gamme de chargements : application à l’étude du comportement cyclique à température élevée»

    - Lieu: UPMC (Paris 6), Institut Rond d’Alembert, salle Paul Germain 

    - Date: 22/05/2018

- Heure: 14 h

Le jury sera composé de :

M. Fionn DUNNE, Professeur, Imperial College                                    Rapporteur

M. Sébastien MERCIER, Professeur, Université de Lorraine                  Rapporteur

M. Luc RÉMY, Professeur, Mines ParisTech                                         Examinateur

Mme. Véronique FAVIER, Professeur, Arts et Métiers ParisTech                       Examinatrice

M. Renald BRENNER, Directeur de Recherche, UPMC                          Examinateur

M. Pierre LAMAGNÈRE, Ingénieur de Recherche, CEA Cadarache         Encadrant CEA

M. Maxime SAUZAY, Chercheur, CEA Saclay                                       Directeur de thèse

Bien cordialement,

Diogo Gonçalvès (CEA Cadarache / ED SMAER, UPMC)

Maxime Sauzay (CEA Saclay)

Pierre lamagnère (CEA Cadarache)

Résumé

Les aciers austénitiques inoxydables, en particulier l’acier 316L(N), sont les matériaux de référence pour les structures du circuit primaire des réacteurs nucléaires dits de quatrième génération, en raison de leur résistance mécanique à la température de fonctionnement, de l’ordre de 550°C. Ce domaine de fonctionnement, dans lequel le comportement visqueux du matériau est essentiel, conduit à dimensionner les structures vis-à-vis des risques de fatigue, de fatigue-relaxation, de fluage et de déformation progressive. La thèse a permis de développer un modèle polycristallin, capable de prédire le comportement de ces aciers, basé sur la description du glissement viscoplastique des dislocations à haute température. De plus, ce modèle est caractérisé par une mise en œuvre simple et l’identification d’un nombre de paramètres matériau limité. Cela peut permettre l'élargissement du domaine de validité des prédictions. La démarche de modélisation a été progressive. Lors de la première étape, nous avons proposé et validé une loi de localisation élasto-viscoplastique intégrée dans un modèle à champs moyens auto-cohérent, grâce à de nombreux calculs par éléments finis, reproduisant un large domaine de chargements monotones et cycliques et en considérant des durcissements et des viscosités cristallines d’intensités très variables. Ensuite, un modèle de viscoplasticité cristalline, reposant sur les lois d’évolution des densités de différents types de dislocations, a été implémenté et les prédictions ont été validés en considérant un très grand nombre de résultats expérimentaux à faible température (entre 293K et 523K). Le modèle a ensuite été enrichi afin de prendre en compte les mécanismes physiques supplémentaires observés à température élevée (entre 723K et 873K), comme la montée des dislocations, le vieillissement dynamique et l’apparition d’une structure de dislocation très hétérogène (cellules de dislocations). Le modèle proposé nécessite uniquement l’ajustement de trois paramètres par identification inverse, utilisant seulement des essais de traction monotone avec sauts de vitesse, à différentes températures. Ces paramètres liés à la viscosité et au vieillissement dynamique sont dépendant de la composition chimique et pourraient à long-terme être estimées par des calculs atomistiques. Les prédictions du comportement mécanique en chargement uniaxial et cyclique sont également en bon accord avec les mesures expérimentales aux températures élevées. 

Mots clés : acier austénitique, viscoplasticité cristalline, évolution des densités de dislocations, modèle polycristallin, modèle d’homogénéisation élasto-viscoplastique

Abstract

Austenitic stainless steels, in particular 316L(N) alloys, are the reference materials for the primary circuit structures of the fourth-generation nuclear reactors. These alloys present high mechanical resistance at the operation temperature range of these reactors, of the order of 550 °C. In this operating range, in which the viscosity effects are not negligible, the material behavior with respect to fatigue, fatigue-relaxation, creep and ratcheting must be considered. This PhD allowed us to develop a polycrystalline model based on the description of the viscoplastic dislocation slip at high temperatures and able to predict the behavior of austenitic steels. In addition, this model is characterized by a straightforward implementation and the identification of a limited number of material parameters, allowing the expansion of its domain of validity. The model was built progressively. In the first step, we proposed and validated an elastic-viscoplastic localization rule integrated in a mean-field self-consistent scheme by comparison to numerous finite element calculations, in a large range of monotonic and cyclic loadings. Various levels of crystalline plastic hardening and viscosity have been considered. Then, a model of crystalline viscoplasticity, based on the evolution laws of the densities of different dislocations populations was implemented and the predictions were validated considering a very large number of experimental results at room temperature and above (between 293K and 523K). The model was then enriched to take into account some of the main physical mechanisms observed at high temperature (between 723K and 873K), such as dislocation climb, dynamic strain aging and the formation of a hard wall and soft channels dislocation structure. The proposed model requires the adjustment of only three parameters by inverse identification, using only monotonic tensile tests at different strain rates and temperatures. These parameters, related to the viscosity and the dynamic strain aging, are dependent on the chemical composition and could in the future be estimated by atomistic calculations. The mechanical behavior predictions in uniaxial and cyclic loading are also in good agreement with experimental measurements at high temperature.

Key words: austenitic stainless steel, crystalline viscoplasticity, dislocation densities evolution, polycrystalline model, elastic-viscoplastic homogenization model