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Chargements complexes et environnement en plasticité

par Brigitte Bacroix - publié le , mis à jour le

Deux sujets ont été traités en parallèle : (1) le comportement en cisaillement simple et (2) le couplage plasticité-environnement, thématique plus récente ayant permis de nouvelles synergies mécanique-chimie au LSPM et de nouvelles collaborations industrielles.

3.1 Comportement en cisaillement simple

Comportement mécanique de composites à matrice métallique Fe-TiB2
Dans le cadre du projet ADRERA (thèse Dammak 2014), les mécanismes de déformation et d’endommagement, leur lien avec le comportement global et l’effet de taille de grains de la matrice ont été analysés, à l’aide d’essais de cisaillement sur dispositif haute capacité développé au LSPM, et d’essais mécaniques in-situ en MEB-FEG. La rupture de particules est le mode principal d’endommagement, quantifié par traitements automatisés d’images MEB (et par tomographie X (coll. Maire, MATEIS). Les résultats expérimentaux ont permis d’appliquer un modèle d’écrouissage phénoménologique (coll. ArcelorMittal). Un modèle d’endommagement des matériaux hétérogènes développé par P. Franciosi a permis d’obtenir des estimations de contraintes de rupture des particules.

Analyse expérimentale et numérique des bandes de Lüders en cisaillement simple
En collaboration avec le CdM (M. Mazière, S. Forest), des mesures de champs par corrélation d’images lors d’essais de cisaillement simple d’aciers très bas carbone ont permis de mettre en évidence les hétérogénéités de déformation dues aux bandes de Lüders. Elles ont été confrontées à des simulations EF et ont permis d’identifier la longueur interne d’un modèle de plasticité à gradient assurant des calculs insensibles au maillage.

3.2 Couplage plasticité - environnement

Simulations éléments finis de couplages diffusion-plasticité sous environnements variés
Le stage post-doctoral de C. Zhang (2012, collab. Areva) avait permis de mettre au point sous Abaqus la simulation par EF d’un polycristal thermoélastoviscoplastique sous chargements thermomécaniques complexes, et d’étudier la sensibilité de la réponse de l’agrégat à sa texture morphologique et cristallographique, avec une attention particulière aux concentrations de contraintes aux joints de grains. Dans le cadre de la thèse de N.T Nguyen (2014), ont été développées et implantées des procédures utilisateur pour la simulation du transport de l’hydrogène prenant en compte la diffusion assistée par le gradient de pression hydrostatique et le piégeage par la déformation plastique. Des tests de sensibilité numérique ont été effectués pour l’essai de pliage en U à l’échelle macroscopique dans le cadre de l’élasto-plasticité isotrope, ainsi que pour des agrégats polycristallins dans le cadre de l’élasto-plasticité cristalline (Fig 8). L’ensemble de ces travaux a permis de constituer une base solide d’outils modulaires et évolutifs pour appréhender le couplage plasticité-environnement. Une thèse a récemment débuté (thèse Huang, co-direction CdM) pour simuler la fissuration intergranulaire en corrosion sous contrainte d’aciers pré-écrouis.


Fig. 8. Répartition instationnaire de l’hydrogène piégé (CT) et diffusif (CL) dans un polycristal pré-déformé plastiquement.

Analyse de la Fragilisation Par l’Hydrogène (FPH) à l’aide de l’ « essai de disque »
Essai normalisé industriel de caractérisation de la FPH de tôles, l’essai de disque à rupture sous pression d’hydrogène gazeux a été étudié expérimentalement et numériquement dans la thèse de K. Ardon (2014, Cifre Air Liquide) pour un acier bainitique. Les mesures globales de déformées et de pression ont permis de valider la simulation numérique par EF de l’essai et les investigations MEB-EBSD de préciser les sites préférentiels de fissuration. La rupture a d’abord été décrite par éléments cohésifs de comportement sensible à la concentration locale en hydrogène issue de la diffusion de Fick. Avec des conditions aux limites en pression imposée et une évolution simultanée de la concentration d’hydrogène et de la déformation plastique, l’essai de disque constitue un cas-test sévère pour la simulation numérique de couplages diffusion-plasticité. Ainsi ont été appliqués, à l’échelle globale et à l’échelle d’un polycristal virtuel, les outils numériques développés sous Abaqus par T.H Nguyen et Y. Charles afin d’analyser l’influence de la vitesse de l’essai sur la distribution de l’hydrogène dans le matériau au cours de l’essai de disque.
Un banc d’essai de disque cédé par le LISSMA Supmeca en 2013 a été également réhabilité par N. Fagnon afin de conduire des essais en laboratoire. Il a été testé sur une large gamme de vitesse de pression (de 1 à 104 bar/min) sur du fer, et donne lieu actuellement à une collaboration extérieure sur la FPH dans des alliages de titane.

Analyse expérimentale et numérique du cloquage induit par l’hydrogène
Dans le cadre de la thèse de S. Ayadi (2017), des essais de chargement cathodique en hydrogène ont été mis au point sur du fer Armco polycristallin, avec l’aide de F. Schoenstein (NINO) et des mesures par catharométrie ont été conduites avec M. Redolfi (MP4). La fissuration et le cloquage induits par l’hydrogène ont été étudiés par surfométrie (I. Caron-Lemaire, Supmeca) et MEB-EBSD sur différents états prédéformés par traction ou cisaillement. Les résultats montrent que la fissuration est majoritairement transgranulaire et compatible avec les plans de glissement (Fig. 9). Le cloquage dépend du type et de l’amplitude de la prédéformation et s’atténue nettement sur les états déformés. La simulation EF de croissance de pores sous pression interne a mis en évidence l’influence du type de chargement mécanique, en cohérence avec les tendances expérimentales. La similitude des phénomènes de cloquage observés avec ceux issus d’interactions plasma H-matériau (MP4) ont motivé une nouvelle thèse (Bennanoune 2016-19) co-encadrée avec J. Mougenot (MP4) pour améliorer la modélisation et la simulation numérique de l’évolution du piégeage de l’hydrogène sur les défauts microstructuraux.


Fig. 9. Fissuration transgranulaire induite par l’hydrogène dans un polycristal de fer fortement pré-déformé en cisaillement simple (gamma=90%).