Crystalline plasticity of spheroidized steels and cleavage
Plasticité cristaline des aciers sphéroïdisés et clivage
Résumé
The cleavage fracture prediction of the ferritic steels has been widely studied using the localapproach to fracture and macroscopic phenomenological models like Beremin. This prediction remains difficult in the ductile-brittle transition domain. Therefore, micromechanical studies have been carried out using polycrystalline approaches to describe the evolution of the cleavage stress in function of temperature for the bainitic steels. In this study, a macroscopic model using a polycrystalline approach is developed to predict the cleavage of one steel with a simple microstructure: a spheroidized steel. Many results in the literature indicate that its fracture is due to carbide microcracking. The mechanical and fracture behavior of a spheroidized steel C35R are obtained by tensile and toughness tests in a temperature range between -196°C and 20°C. The microstructural analyses are performed to determine the grain and carbide size distribution. Simplified microstructure models of the steel are proposed. The polycrystalline aspect of the material is taken into account. A parametric study on the carbide stress distribution is carried out. It is shown that the parameters of the polycrystalline model do not influence the carbide stress distribution if the same global tensile behavior is represented. The cleavage fracture prediction is based on the probabilistic approach, considering the stress scatter in the carbides due to the mechanical fields’ heterogeneity related to the polycrystalline modelling. Thus, the elementary fracture probability function is obtained. Different macroscopic fracture models are then developed based on the criteria based on nucleation and propagation of microcracks. The models are applied to a SENT specimen to predict the toughness in the bottom of the ductile-brittle transition domain. The comparison with experimental results shows that the evolution of the microcracks volume density with the loading, the extension of the microcracks with various sizes or their blunting, must be taken into account. The importance of the different criterions depends on the temperature.
La prédiction du clivage des aciers ferritiques a été largement étudiée à l’aide de l’approchelocale de la rupture, et des modèles macroscopiques identifiés phénoménologiquement comme celui de Beremin. Cette prédiction reste cependant difficile dans le domaine de transition ductilefragile. Cela a conduit à des études micromécaniques par les approches polycristallines afin de décrire l’évolution de la contrainte de clivage en fonction de la température pour les aciers bainitiques. Dans cette étude, on utilise une approche polycristalline, puis on développe un modèle macroscopique de prédiction du clivage d’un acier de microstructure plus simple, un acier sphéroïdisé. De nombreux résultats de la littérature indiquent que leur rupture est due à la microfissuration des carbures. Le comportement mécanique et la rupture d'un acier sphéroïdisé C35R sont obtenus par des essais de traction simple et de ténacité dans une gamme de température entre -196 et 20°C. Les analyses microstructurales sont effectuées pour déterminer la distribution de taille des grains et des carbures. Des modélisations simplifiées de la microstructure de l’acier sont proposées. L’aspect polycristallin du matériau est pris en compte. Une étude paramétrique concernant la distribution des contraintes dans les carbures est réalisée. On montre que les paramètres du modèle polycristallin n’influencent pas cette distribution à la condition de représenter le même comportement global en traction. La prédiction de la rupture par clivage est basée sur une approche probabiliste, considérant la dispersion des contraintes dans les carbures due à l'hétérogénéité des champs mécaniques issue de la modélisation polycristalline. La probabilité élémentaire de rupture des carbures est ainsi obtenue. Différents modèles de rupture macroscopiques sont alors développés, basés sur des critères en germination et propagation des microfissures. Ils sont appliqués à une éprouvette SENT afin de prédire la ténacité dans le bas de la transition ductile-fragile. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que l’on doit prendre en compte l’évolution de la densité volumique des microfissures avec le chargement, l’extension des microfissures de taille variable ou leur émoussement. L’importance des différents critères dépend de la température.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)