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Theses Year : 2019

Numerical simulation of strain localization in irradiated polycristals

Simulation numérique de la localisation intra granulaire de la déformation au sein de polycristaux irradiés

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Aldo Marano

Abstract

Irradiated polycrystals are known to exhibit an intense localization of plastic deformation at the grain scale, responsible for a severe loss of ductility and increased sensitivity to intergranular stress corrosion cracking. This thesis takes advantage of the performances offered by the recent progresses of highly parallel FFT-based solvers, to improve the modeling of this crucial phenomenon. We developed field processing methods to produce a systematic analysis of the nature and quantitative characterization of localization bands, from high resolution polycrystalline simulation results. They allowed to evidence a fundamental shortcoming of classical crystal plasticity, cornerstone of all irradiated metals models, in the prediction of intragranular localization modes. To overcome this issue, we extended the scope of our FFT solver, AMITEX_FFTP, to nonlocal mechanics. We used it to extensively study the analytical and numerical predictions of a strain gradient plasticity model, showing that it is a promising way to achieve an accurate modeling of plastic slip localization modes in softening polycrystals, and a fortiori for irradiated metals. Additionally, we explored the explicit modeling of slip bands with FFT-based solvers. We developed generic composite voxel models allowing to strongly reduce its computational cost. We show that this approach provides an efficient way to simulate the consequences of strain localization, such as the evolution of the grain boundary stress distribution or the increased kinematic hardening.
Les polycristaux irradiés sont connus pour être le siège d’une intense localisation de la déformation plastique à l’échelle du grain, causant une diminution de leur ductilité ainsi qu’une sensibilité accrue à la corrosion sous contrainte. Cette thèse met à profit les performances offertes par le développement des solveurs FFT massivement parallèles pour améliorer la modélisation de ce phénomène crucial. Nous avons mis au point des méthodes de traitement permettant l’analyse systématique de la nature des bandes de localisation, ainsi que leur caractérisation quantitative, à partir des champs issus de la simulation haute résolution de cellules polycristallines. Elles ont permis de mettre en évidence les limites fondamentales de la plasticité cristalline classique, fondement des modèles de métaux irradiés actuels, quant à la prédiction des modes de localisation intra granulaire du glissement plastique. Pour y remédier, nous avons étudié en détail les prévisions analytiques et numériques d’un modèle de plasticité à gradient, en étendant l’implémentation du solveur AMITEX_FFTP à la résolution de problèmes non locaux. Nous avons pu montrer qu’il constitue un cadre prometteur pour une modélisation physiquement fidèle des modes de localisation intra-granulaires dans les polycristaux adoucissants, donc a fortiori pour les métaux irradiés. Par ailleurs, nous avons également abordé ce problème par la modélisation explicite des bandes de glissement. Nous avons amélioré ses performances grâce au développement de modèles de voxels composites génériques, et montré que cette approche constitue une alternative efficace pour simuler les conséquences de la localisation de la déformation, comme la modification de la distribution de contraintes aux joints de grains, ou l’augmentation de l’écrouissage cinématique.
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tel-02570704 , version 1 (12-05-2020)

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  • HAL Id : tel-02570704 , version 1

Cite

Aldo Marano. Numerical simulation of strain localization in irradiated polycristals. Material chemistry. Université Paris sciences et lettres, 2019. English. ⟨NNT : 2019PSLEM041⟩. ⟨tel-02570704⟩
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