Ductile damage study for low stress triaxiality and during load path changes via 3D imaging and FE simulations
Etude de l’endommagement ductile lors de chargements complexes et à basse triaxialité par imagerie 3D synchrotron et calculs éléments finis
Résumé
In the pursuit of lighter materials and optimized thin-walled components for transportation, knowledge about the characteristic ductile damage mechanisms in metal sheets is key. Strain-damage interactions are still not well understood under shear dominant (low stress triaxiality) loading conditions, not to mention highly application-relevant under complex load path changes. With 3D synchrotron laminography, the damage evolution in a flat sheet shear specimen made of recrystallized Al-Cu-Li alloy 2198 T8 was studied from micro down to nanometer resolution. Two main damage features, granular flat cracks and intermetallic particle cracks, were found and followed. The origin of these detrimental flat cracks was investigated by correlative EBSD. The cracks turned out to be both intergranular and transgranular. In order to study the effect of pre-shear loading and the damage mechanism, an in situ laminographic experiment was carried out during a ‘shear to tension’ (ST) load path change. The ductility of the ST test was significantly reduced compared to the proportional one. Microscopically, 3D damage, nucleated under shear and subsequently continued to grow and coalesce till fracture during tensile loading thereby explaining the ductility reduction. To interpret further the experimental results finite element (FE) modelling was carried out using a model for anisotropic plasticity. The model succeeded in predicting the plastic behaviour under non-proportional loadings, not only ST but also ‘tension to shear’ (TS), as well as in foreseeing the accumulated equivalent strain fields measured by 2D digital image correlation (DIC) on projected volume data. A Rousselier-Coulomb polycrystalline damage model, that fully coupled classical void growth for high stress triaxiality and Coulomb model at the slip system scale for low stress triaxiality, was applied to model damage evolution under load path changes and succeeded in predicting ductility reduction under non-proportional loadings.
Dans la recherche de matériaux plus légers et de composants à parois minces optimisés pour le transport, la connaissance des mécanismes d'endommagement ductiles caractéristiques des tôles est essentielle. Les interactions entre la déformation et l'endommagement ne sont pas encore bien comprises dans des conditions de chargement dominées par le cisaillement (faible contrainte triaxialité), sans parler de l'importance de l'application dans le cas de changements complexes de la trajectoire de chargement. Grâce à la laminographie synchrotron 3D, l'évolution de l'endommagement d'une éprouvette de cisaillement en tôle plate en alliage Al-Cu-Li 2198 T8 recristallisé a été étudiée avec une résolution allant du micro au nanomètre. Deux caractéristiques principales de dommages, les fissures plates granulaires et les fissures de particules intermétalliques, ont été trouvées et suivies. L'origine de ces fissures plates nuisibles a été étudiée par EBSD corrélative. Les fissures se sont avérées être à la fois intergranulaires et transgranulaires. Afin d'étudier l'effet de la charge de pré-cisaillement et le mécanisme d'endommagement, une expérience laminographique in situ a été réalisée au cours d'un changement de trajectoire de charge de " cisaillement à tension " (ST). La ductilité de l'essai ST était significativement réduite par rapport à l'essai proportionnel. Au microscope, les dommages 3D se sont formés sous cisaillement et ont ensuite continué à croître et à coalescer jusqu'à la rupture pendant la charge de traction, expliquant ainsi la réduction de la ductilité. Pour mieux interpréter les résultats expérimentaux, une modélisation par éléments finis (FE) a été réalisée en utilisant un modèle de plasticité anisotrope. Le modèle a réussi à prédire le comportement plastique sous des charges non proportionnelles, non seulement ST mais aussi 'tension à cisaillement' (TS), ainsi qu'à prévoir les champs de déformation équivalents accumulés mesurés par corrélation d'image numérique 2D (DIC) sur des données de volume projeté. Un modèle d'endommagement polycristallin de Rousselier-Coulomb, qui associe pleinement la croissance classique des vides pour la triaxialité des contraintes élevées et le modèle de Coulomb à l'échelle du système de glissement pour la triaxialité des contraintes faibles, a été appliqué pour modéliser l'évolution de l'endommagement sous les changements de trajectoire de charge et a réussi à prédire la réduction de la ductilité sous des charges non proportionnelles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)