Micromechanical modeling of self-heating and microplasticity in steels under cyclic loading
Modélisation micromécanique de l'échauffement et de la microplasticité des aciers sous sollicitations cycliques
Résumé
The rupture in high cycle fatigue is one of the main reasons for failure of parts in service. For steels, fatigue damage is caused by microstructural mechanisms due to the motion of dislocations. The present work aims to understand the interactions between the microstucture and the intrinsic dissipation induced by dislocations motion since decreasing the dissipation seems to lead to an increase of the fatigue limit. The experimental determination of dissipation from temperature measurements requires a specific formulation of the heat equation that comes from assumptions about the heat sources and the measurement facilities. The experimental tool enables to build a scale transition model that describes the various interactions between the dissipative mechanisms and the microstructure. During cyclic loadings, the dissipation is assumed to be either the consequence of the curvature of dislocations segments (anelasticity) or due to the viscoplastic slip of dislocations (inelasticity). The frame of crystal plasticty is used to set up a physical description of the dissipative mechanisms and the scale transition model, that is developped to take the complexity of the constitutive law into account, enables to consider the heterogenous nature of steels. The parameters identification process is made with low cycle fatigue stress-strain curves and seems to give good results. Finally, the model is mainly used in order to foresee the influence of loading or microstructure parameters.
La rupture en fatigue à grand nombre de cycles est une des sources de défaillance les plus fréquentes pour des pièces en service. Dans le cas des aciers, l'endommagement par fatigue trouve ses origines microstructurales dans des mécanismes liés aux mouvements des dislocations. L'objectif du présent travail est de comprendre les multiples interactions entre la microstructure et la dissipation intrinsèque induite par les mouvements de dislocations puisque limiter la dissipation semble permettre d'améliorer la limite de fatigue. L'estimation expérimentale de la dissipation intrinsèque à partir de la température nécessite une formulation de l'équation de la chaleur qui découle d'hypothèses relatives aux sources de chaleur et aux moyens de mesure. L'outil expérimental permet de mettre en place un modèle micro-macro qui décrit les multiples interactions entre les phénomènes dissipatifs et la microstructure. La dissipation lors de sollicitations cycliques est supposée être soit liée à la courbure des lignes de dislocations (anélasticité) soit due au glissement viscoplastique des dislocations (inélasticité). L'utilisation du cadre de la plasticité cristalline aboutit à une description physique de ces mécanismes et le modèle de transition d'échelle, développé pour tenir compte des différents ordres de dérivation qui interviennent dans la loi de comportement locale, permet de considérer la nature hétérogène des aciers. Une procédure d'identification des paramètres basée sur les courbes de comportement oligocyclique est ensuite proposée et donne des résultats satisfaisants. Finalement, le modèle est principalement utilisé afin de prévoir le rôle divers paramètres relatifs au chargement ou à la microstructure sur les courbes d'échauffement.