Cyclic plasticity of an austenitic-ferritic stainless steel under biaxial nonproportional loading
Plasticité cyclique d'un acier inoxydable austéno-ferritique sous chargement biaxial non-proportionnel
Résumé
Austenitic-ferritic stainless steels are supplied since about 30 years only, so they are yet not well-known. Their behaviour in cyclic plasticity was studied under uniaxial loading but not under multiaxial loading, whereas only a thorough knowledge of the phenomena influencing the mechanical behaviour of a material enables to simulate and predict accurately its behaviour in a structure. This work aims to study and model the behaviour of a duplex stainless steel under cyclic biaxial loading. A three step method was adopted. A set of tension-torsion tests on tubular specimen was first defined. We studied the equivalence between loading directions, and then the influence of loading path and loading history on the stress response of the material. Results showed that duplex stainless steel shows an extra-hardening under nonproportional loading and that its behaviour depends on previous loading. Then, in order to analyse the results obtained during this first experimental stage, the yield surface was measured at different times during cyclic loading of the same kind. A very small plastic strain offset (2 10-5) was used in order not to disturb the yield surface measured. The alteration of isotropic and kinematic hardening variables were deduced from these measures. Finally, three phenomenological constitutive laws were identified with the experimental set. We focused our interest on the simulation of stabilized stress levels and on the simulation of the cyclic hardening/softening behaviour. The comparison between experimental and numerical results enabled the testing of the relevance of these models.
Fabriqués industriellement depuis seulement une trentaine d'années, les aciers inoxydables austéno-ferritiques, dits duplex, sont encore peu connus. Leur comportement en fatigue plastique a fait l'objet de quelques études portant sur les sollicitations uniaxiales mais d'aucune sur les sollicitations multiaxiales. Or seule une connaissance approfondie des phénomènes influant sur son comportement permet de simuler et de prédire correctement le comportement d'un matériau dans une structure. Ce travail a pour but l'étude et la modélisation du comportement d'un acier inoxydable duplex sous chargement biaxial cyclique. Une démarche en trois étapes a été adoptée. Une première campagne d'essais de traction-torsion cycliques sur éprouvettes tubulaires a été menée. Nous avons étudié l'équivalence des directions de chargement, puis nous avons porté notre attention sur l'influence du trajet et de l'histoire du chargement. Les résultats ont montré que l'acier inoxydable duplex présente un sur-écrouissage sous sollicitations non-proportionnelles, et que son comportement dépend des sollicitations effectuées auparavant. Ensuite, afin d'interpréter les résultats obtenus lors de cette première campagne d'essais, la surface de plasticité a été mesurée plusieurs fois par cycle pendant le même type d'essai cyclique. Un très faible offset de déformation plastique (2 10-5) a été utilisé afin de ne pas perturber la surface à mesurer. Les évolutions des variables d'écrouissage isotrope et cinématique en ont été déduites. Enfin, trois modèles phénoménologiques de comportement ont été identifiés sur la base expérimentale. Nous nous sommes attachés à la simulation des niveaux de contrainte stabilisée ainsi qu'à la représentation du comportement de durcissement/adoucissement cyclique. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques nous a permis de tester la validité des modèles identifiés.