Topic description
Près de 80% des ruptures de structures en service sont liées à des chargements cycliques. Ceux-ci peuvent être de différents types : fatigue-corrosion, fatigue gigacyclique, fatigue oligocyclique ou rochet. Le phénomène de fatigue peut engendrer l'amorçage de fissures, même lorsque le niveau de chargement est très faible, de l'ordre de la limite d'élasticité. Le phénomène du rochet se caractérise, lui, par l’apparition d’une déformation non compensée d'un cycle à l'autre, laquelle va conduire à une accumulation de déformation, et, pour finir, à la ruine de la structure par déformation excessive.
La compréhension et la prédiction par des modélisations et des simulations numériques de la réponse mécanique des métaux, et alliages métalliques polycristallins, sous sollicitation cyclique constituent de fait un enjeu important pour la maîtrise de la durabilité de ces matériaux.
Dans la grande majorité des cas, le phénomène observé relève de la fatigue à grand nombre de cycles. De nombreuses études expérimentales et théoriques y ont été consacrées dans les années et notamment. Les modèles actuellement disponibles permettent d’obtenir une prédiction du comportement plutôt satisfaisante.
La fatigue oligocyclique, et plus encore le phénomène de rochet, se produit de façon nettement moins fréquente, mais dans des situations et domaines d’applications où les enjeux sont particulièrement importants comme le nucléaire. Si les approches micromécaniques basées sur les calculs de champs complets en plasticité cristalline, appliqués à l'étude de la fatigue, se sont largement généralisés depuis les années (thèse de Y. Guilhem sur l'acier inoxydable L par exemple), très peu d'études ont abordées la problématique du rochet (thèse H. Farooq ).
Tombée un temps en désuétude suite à la vague d’études plus ou moins fructueuses des années, la thématique du rochet – au sens compréhension fine du phénomène et modélisation prédictive – est à ré- investiguer à l’aune des nombreuses techniques d’approches apparues, ou ayant fortement progressées depuis, avec notamment d’un point de vue expérimental le bénéfice des études en champs complets et des caractérisations fines des microstructures, et d’un point de vue simulation numérique, la description d’une microstructure représentative, une meilleure prise en compte des effets des interactions entre systèmes de glissements, l’avènements d’une nouvelle classe de modèles quasi-physiques représentatifs, et la modélisation en champs complets représentatifs pouvant être confronter aux résultats expérimentaux.
L’objectif de cette thèse porte sur la compréhension et la modélisation du phénomène de rochet par la mise en place d’une approche de simulations numériques en champs complets, par la méthode des éléments-finis, de la réponse mécanique d’agrégats polycristallins sous chargement cyclique. Dans ce cadre, la description du comportement local, à l’échelle du grain, sera basée sur des équations constitutives de type plasticité (ou visco-plasticité) cristalline, incluant des écrouissages non-linéaires isotrope et/ou cinématique formulés en termes de densité de dislocations. Une attention particulière sera apportée à la description de l’écrouissage latent.
Ce travail impliquera, entre autres, l’implémentation du schéma d’intégration numérique de la loi de comportement locale au sein du solveur élément-fini utilisé (Abaqus, Zset ou Foxtrot – Code académique développé en interne, …) par le développement de subroutines utilisateur ou l’utilisation de bibliothèques libres adaptées (M-Front, ). La mise-en-œuvre des calculs en champ complet nécessitera le recours au calcul parallèle, réalisé sur cluster régional.
Le matériau modèle retenu pour cette étude est un acier inoxydable austénitique dont le comportement cyclique est très largement documenté. Pour définir les configurations simulées (chargement, paramètres matériaux) et en analyser les résultats, le doctorant pourra s’appuyer sur des données d’essais réalisés au laboratoire, notamment au travers de collaborations régulières avec les partenaires industriels du secteur de l’énergie nucléaire (EDF, Framatome). Au besoin, des essais mécaniques complémentaires ciblés pourront être réalisés pendant cette thèse afin de mieux comprendre l’amorçage du rochet et d’effectuer des confrontations simulations/expériences s’appuyant sur des champs complets expérimentaux. Ils pourront être accompagnés de caractérisation microstructurale à l’échelle des grains et systèmes de glissement (Microscopie Electronique à Balayage, EBSD, essais ).
Starting date
-10-01
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
Funding further details
Allocation doctorale MESR
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