Influence des mécanismes de plasticité sur la transition ductile fragile des aciers faiblement alliés. Etude de l'irradiation sur le comportement.
Résumé
The comprehension and modelling of brittle fracture mechanisms in pressure vessel steels is crucial, in particular to assess the integrity of pressure vessel reactors under accidental conditions. The local approach to fracture is one of the most used methods to predict the ductile / brittle transition in low alloyed steels [BER83], [BRO78], [CUR80]; [ZHA99] . In these models, the dispersion of fracture stresses only result from particles size distribution [HAH84], [BER83], [YAN03], [YAN04], [TAN03], [TAN05], [LEE02], [HAU05] , whereas mechanical heterogeneities are not taken into account. Several studies have shown that the initiation of brittle fracture could involve multiple microstructural crack initiators : lath packets boundaries, carbides or manganese sulfides.
Nevertheless, below a behaviour transition temperature Ta (about 25°C), plasticity mechanisms become strongly dependent on temperature. At low temperature, plastic deformation is controlled by the mobility of screw dislocations, whereas, at high temperature plastic deformation hardening result of the interactions between the mobile dislocations with the forest dislocations [KOCKS75], [KUBLV78].
The temperature dependence of plasticity mechanisms has been suggested to be one of the possible cause to explain that the local approach to fracture is not able to describe the whole ductile / brittle transition domain. Therefore, the description of the local stress heterogeneities can be considered as a major contribution to the improvement of local approach to fracture [MAT06].
In past years, crystal plasticity models have already been successfully developed to describe the effects of microstructural heterogeneities on mechanical fields and texture [PEI83], [BEADMK95], [TABFR98] [BARDJ01], [BARFC01], [HOC01], [BHAEDKD01] [ERIR04]. Such crystal plasticity models present great interest for the local approach of a fracture. As a matter of fact, crystal models take into account the effect of microstructural heterogeneities on the local mechanical fields, are able to describe plasticity mechanisms at the scale of a lath packet and their evolution along strain path.
The proposed model is able to describe continuously the evolution of plasticity mechanisms with temperature. The model leans on a viscoplastic constitutive law on each slip systems and depends on dislocation densities as internal variables. The evolution of local behaviour with temperature take into account :
- Thermally activated flow rule based on the double kink mechanism, which commands the motion of screw dislocations at low temperature. [LOU79]
- Hardening law based on the competition between the lattice friction and interaction with forest dislocations. [RAU93]
- Dislocation densities evolution law : competition between production and annihilation of dislocations.[ESTM84]
The interest of such a crystal plasticity model for local fracture is to include microstructural effects, temperature/strain rate evolutions and triaxiality ratio in criterion of rupture, thanks to the computation of the heterogeneities of the local stress field at the scale of a lath packet.
The following work focuses on modelling of stress heterogeneities under highly triaxial loadings in a A508 Cl3 (16MND5) low alloyed steel presenting a bainitic microstructure.
Identification of the model parameters is based on mechanical tests in a wide temperature range (-196°C,25°C) through inverse method and on microstructural observations (crystalline orientations and lath morphologies) by Electron Back Scattering Diffraction (EBSD) et dislocation density measurement with MET.
Simulations are conducted on two different polycrystalline aggregates obtained from EBSD mappings and constituted by three layers of elements. The aggregates are submitted to plane strain boundary conditions with different triaxiality ratio. Local stress fields are obtained for different temperature and triaxiality ratio.
Nevertheless, below a behaviour transition temperature Ta (about 25°C), plasticity mechanisms become strongly dependent on temperature. At low temperature, plastic deformation is controlled by the mobility of screw dislocations, whereas, at high temperature plastic deformation hardening result of the interactions between the mobile dislocations with the forest dislocations [KOCKS75], [KUBLV78].
The temperature dependence of plasticity mechanisms has been suggested to be one of the possible cause to explain that the local approach to fracture is not able to describe the whole ductile / brittle transition domain. Therefore, the description of the local stress heterogeneities can be considered as a major contribution to the improvement of local approach to fracture [MAT06].
In past years, crystal plasticity models have already been successfully developed to describe the effects of microstructural heterogeneities on mechanical fields and texture [PEI83], [BEADMK95], [TABFR98] [BARDJ01], [BARFC01], [HOC01], [BHAEDKD01] [ERIR04]. Such crystal plasticity models present great interest for the local approach of a fracture. As a matter of fact, crystal models take into account the effect of microstructural heterogeneities on the local mechanical fields, are able to describe plasticity mechanisms at the scale of a lath packet and their evolution along strain path.
The proposed model is able to describe continuously the evolution of plasticity mechanisms with temperature. The model leans on a viscoplastic constitutive law on each slip systems and depends on dislocation densities as internal variables. The evolution of local behaviour with temperature take into account :
- Thermally activated flow rule based on the double kink mechanism, which commands the motion of screw dislocations at low temperature. [LOU79]
- Hardening law based on the competition between the lattice friction and interaction with forest dislocations. [RAU93]
- Dislocation densities evolution law : competition between production and annihilation of dislocations.[ESTM84]
The interest of such a crystal plasticity model for local fracture is to include microstructural effects, temperature/strain rate evolutions and triaxiality ratio in criterion of rupture, thanks to the computation of the heterogeneities of the local stress field at the scale of a lath packet.
The following work focuses on modelling of stress heterogeneities under highly triaxial loadings in a A508 Cl3 (16MND5) low alloyed steel presenting a bainitic microstructure.
Identification of the model parameters is based on mechanical tests in a wide temperature range (-196°C,25°C) through inverse method and on microstructural observations (crystalline orientations and lath morphologies) by Electron Back Scattering Diffraction (EBSD) et dislocation density measurement with MET.
Simulations are conducted on two different polycrystalline aggregates obtained from EBSD mappings and constituted by three layers of elements. The aggregates are submitted to plane strain boundary conditions with different triaxiality ratio. Local stress fields are obtained for different temperature and triaxiality ratio.
Il est crucial de garantir l'intégrité des cuves de réacteurs à eau pressurisée (REP) en cas de fonctionnement accidentel : dans ce contexte, la compréhension et la modélisation des mécanismes de rupture fragile des aciers constituent des éléments décisifs de l'évaluation complexe des durées de vie des cuves.
Les modèles d'approche locale de la rupture par clivage constituent l'un des principaux outils de prédiction de la ténacité des aciers faiblement alliés. La dispersion des contraintes à rupture est interprétée comme un effet de la distribution des défauts dans la microstructure, mais l'effet des hétérogénéités mécaniques n'est pas pris en compte. Or, en dessous d'une température de transition de comportement Ta (de l'ordre de 25°C), les mécanismes de déformation sont grandement affectés par la température et la vitesse de déformation.
Notre approche consiste à prendre en compte l'effet des hétérogénéités de contraintes dans un critère local d'amorçage du clivage. Les résultats de calculs de microstructure sont utilisés pour proposer une description statistique de l'évolution des distributions de contraintes locales. Cette approche statistique permet de proposer un modèle d'approche locale de la rupture dépendant à la fois des hétérogénéités mécaniques et des distributions de tailles de défauts.
Le comportement du matériau et son évolution sont caractérisés aux échelles microscopique et macroscopique dans le domaine de température [25°C,-196°C]. Des essais de traction simple, de sauts de vitesse et de température, et de ténacité sont réalisés.
Nous proposons un modèle de comportement micromécanique décrivant le comportement plastique en dessous de la température de transition Ta. La loi de comportement est basée sur les mécanismes de déformation décrits dans la bibliographie et identifiées par méthode inverse à partir des essais mécaniques. Les observations au MET et la caractérisation du comportement activé thermiquement permettent de fixer plusieurs paramètres du modèle.
Des simulations sont réalisées afin de modéliser les distributions de contrainte principale Σ1 dans deux microstructures bainitiques correspondant au volume élémentaire de l'approche locale de la rupture. L'effet de la température et de la triaxialité sur l'évolution des hétérogénéités est caractérisé. Nous proposons une fonction de distribution décrivant la distribution des valeurs locales de Σ en fonction des contraintes principales et équivalente <Σ> et <Σmises> moyennes dans la microstructure.
Cette fonction est utilisée pour formuler un modèle d'approche locale de la rupture intégrant la distribution des tailles de défauts critiques et les distributions de Σ1.. On montre que dans certains cas, la dispersion des contraintes locales suffit à expliquer les dispersions des contraintes à rupture à l'échelle du volume élémentaire. Les dispersions de contraintes à rupture sont en accord avec celles prédites par le modèle de Beremin. La prise en compte des hétérogénéités mécaniques permet d'introduire une dépendance de la probabilité de rupture en fonction de la température, de la déformation et de la triaxialité. Il reste à appliquer le modèle d'approche locale au calcul d'éprouvettes CT et de comparer les dispersions de ténacités simulées à celles mesurées expérimentalement.
Les modèles d'approche locale de la rupture par clivage constituent l'un des principaux outils de prédiction de la ténacité des aciers faiblement alliés. La dispersion des contraintes à rupture est interprétée comme un effet de la distribution des défauts dans la microstructure, mais l'effet des hétérogénéités mécaniques n'est pas pris en compte. Or, en dessous d'une température de transition de comportement Ta (de l'ordre de 25°C), les mécanismes de déformation sont grandement affectés par la température et la vitesse de déformation.
Notre approche consiste à prendre en compte l'effet des hétérogénéités de contraintes dans un critère local d'amorçage du clivage. Les résultats de calculs de microstructure sont utilisés pour proposer une description statistique de l'évolution des distributions de contraintes locales. Cette approche statistique permet de proposer un modèle d'approche locale de la rupture dépendant à la fois des hétérogénéités mécaniques et des distributions de tailles de défauts.
Le comportement du matériau et son évolution sont caractérisés aux échelles microscopique et macroscopique dans le domaine de température [25°C,-196°C]. Des essais de traction simple, de sauts de vitesse et de température, et de ténacité sont réalisés.
Nous proposons un modèle de comportement micromécanique décrivant le comportement plastique en dessous de la température de transition Ta. La loi de comportement est basée sur les mécanismes de déformation décrits dans la bibliographie et identifiées par méthode inverse à partir des essais mécaniques. Les observations au MET et la caractérisation du comportement activé thermiquement permettent de fixer plusieurs paramètres du modèle.
Des simulations sont réalisées afin de modéliser les distributions de contrainte principale Σ1 dans deux microstructures bainitiques correspondant au volume élémentaire de l'approche locale de la rupture. L'effet de la température et de la triaxialité sur l'évolution des hétérogénéités est caractérisé. Nous proposons une fonction de distribution décrivant la distribution des valeurs locales de Σ en fonction des contraintes principales et équivalente <Σ> et <Σmises> moyennes dans la microstructure.
Cette fonction est utilisée pour formuler un modèle d'approche locale de la rupture intégrant la distribution des tailles de défauts critiques et les distributions de Σ1.. On montre que dans certains cas, la dispersion des contraintes locales suffit à expliquer les dispersions des contraintes à rupture à l'échelle du volume élémentaire. Les dispersions de contraintes à rupture sont en accord avec celles prédites par le modèle de Beremin. La prise en compte des hétérogénéités mécaniques permet d'introduire une dépendance de la probabilité de rupture en fonction de la température, de la déformation et de la triaxialité. Il reste à appliquer le modèle d'approche locale au calcul d'éprouvettes CT et de comparer les dispersions de ténacités simulées à celles mesurées expérimentalement.
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