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Développement d'un modèle d'approche locale de la rupture tenant compte d'effets de taille des initiateurs

Développement d'un modèle d'approche locale de la rupture tenant compte d'effets de taille des initiateurs

(Size-dependent modelling of crack initiation in stainless steels based on strain gradient crystal plasticity)

Proposition de thèse

SpécialitéMécanique
Ecole doctoraleSMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur
Directeur de thèseFOREST Samuel
Co-directeur de thèseAMMAR Kais
Unité de rechercheCentre des Matériaux
Contact
Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Recrutements/Theses/
Mots-clésPlasticité cristalline à gradients, Contraintes internes, Particules, Effet de taille, Amorçage de fissure, Eléments finis
Strain gradient crystal plasticity, Inclusions, Carbides, Size effects, Internal stresses, Finite element
RésuméDans le cadre de l'étude du comportement et de la durée de vie de la cuve des réacteurs à eau préssurisée, les modèles d'approche locale de la rupture peuvent être utiles à la compréhension des mécanismes physiques à l'origine de la rupture brutale. Ces développements visent à établir des liens entre propriétés microstructurales et propriétés mécaniques d'usage pour l'acier de cuve, pour permettre des applications en lien avec des effets de prélèvement, et en lien avec les variations de teneur en carbone. On s'intéresse dans ce contexte principalement aux variations de taille des initiateurs du phénomène de rupture, c'est-à-dire les carbures constitués de cémentite et entourés par une matrice ferritique cubique centrée.
Nous proposons d'appliquer un modèle de plasticité cristalline à gradient pour estimer des contraintes de clivage sur des carbures entourés d'une matrice ferritique. Cette étude s'inscrit dans la continuité de travaux menés dans l'ANR Cat-Size, dans le cadre de laquelle des résultats avaient été obtenus sur l'application de modèles de plasticité à gradient sur des Volumes Elementaires Représentatifs (VER) précipité-matrice [1]. Le modèle à gradient intègre la variable tenseur densité de dislocations de Nye-Kröner. Il permet de rendre compte de la présence de dislocations d'accommodation géométrique autour des carbures, responsables de contraintes internes dépendant de leur taille [1,2]. Des lois de comportement spécifiques devront être développées et implémentée numériquement dans un code par éléments finis en 2D et 3D.
Le modèle à gradient sera appliqué pour exprimer des relations entre taille de carbure et contrainte de clivage appliquée localement au carbure en fonction d'une contrainte mésoscopique appliquée au VER.
Cette première étude permettra d'améliorer ensuite les modèles d'amorçage de Griffith proposés et appliqués dans le cadre de la thèse de Jean-Philippe Matthieu [3], à l'échelle du polycristal. En dernière étape, un lien sera fait entre d'une part le modèle polycristallin enrichi pour tenir compte de l'effet de taille et d'autre part un modèle macroscopique de Beremin. Une identification de paramètres du modèle pourra être réalisée à l'aide de données d'essais mécaniques et de données métallurgiques disponibles.
Within the framework of the study of the behaviour and lifetime assessment of PWR vessels, the local approach to fracture aims at determining the physical mechanisms responsible for quasi-brittle or ductile fracture. Carbides made of cementite embedded in a ferritic matric act as crack nuclei. Size effects arise from the interplay between the fracture properties of the carbides (which depends on their size due to the statistics of brittle fracture) and from the internal stresses induced by the plasticity around particles. A strain gradient plasticity model will be applied to compute the internal stresses induced by the presence of geometrically necessary dislocations around carbides. The stress inside the inclusion will be used to predict the occurrence of cleavage fracture.
The present work will take advantage of previous results obtained in the project ANR-Cat Size [1]. The strain gradient plasticity model incorporate the dislocation density tensor into the constitutive framework [1,2]. Specific physically motivated constitutive laws will be proposed and implemented in a finite element code in 2D and 3D. The computation will deal with unit cell computations on representative volume elements containing one or several carbides inside grains. Plastic slip systems will be accounted for in the ferritic matrix.
This study will improve the Griffith fracture models already used ans applied in the PhD of J.P. Matthieu at the polycrystal scale. A link will then be established between the polycrystalline scale and a more macroscopic Beremin model. Parameter identification will be performed using available results of mechanical tests and metallurgical data.
ContexteLe Centre des Matériaux situé à Evry (35 km au sud de Paris) est un laboratoire associé au CNRS (UMR 7633) emploie environ 180 personnes dont 40 enseignants-chercheurs, 45 ITA, 80 doctorants et 10 post-doctorants. Les recherches concernent l'élaboration, la caractérisation microstructurale, les études expérimentales du comportement des matériaux, la modélisation et la simulation numérique. Elles sont réalisées en étroite collaboration contractuelle avec des partenaires industriels.
EncadrementCo-Encadrant : AMMAR Kais
Co-Encadrant externe : LATOURTE Félix (EDF)
Profil candidatProfil type pour une thèse à MINES ParisTech :
Ingénieur et/ou Master recherche - Excellent niveau de culture générale et scientifique.
Bon niveau de pratique de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité.
Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche.
Projet professionnel cohérent

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Mécanique numérique, Mécanique des matériaux, Simulation numérique.
Références[1] Chang, H.-J.; Gaubert, A.; Fivel, M.; Berbenni, S.; Bouaziz, O. & Forest, S. Analysis of particle induced dislocation structures using three-dimensional dislocation dynamics and strain gradient plasticity Computational Materials Science, Proceedings of the 20th International Workshop on Computational Mechanics of Materials - IWCMM 20, Computational Materials Science, 2012, 52, 33-39

[2] N.M. Cordero, S. Forest, E.P. Busso, S. Berbenni, M. Cherkaoui, Grain size effects on plastic strain and dislocation density tensor fields in metal polycrystals , Computational Materials Science, 2012, 52, 7-13, 2012.

[3] Mathieu, J.-P.; Inal, K.; Berveiller, S. & Diard, O. A micromechanical interpretation of the temperature dependence of Beremin model parameters for french RPV steel Journal of Nuclear Materials, FP6 IP PERFECT Project: Prediction of Irradiation Damage Effects in Reactor Components, 2010, 406, 97-112
Type financementContrat de recherche

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