Characterization and modelling of the anisotropic behaviour of high-strength aluminium alloy - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Characterization and modelling of the anisotropic behaviour of high-strength aluminium alloy

Caractérisation et modélisation du comportement anisotrope d'alliage d'aluminium haute-résistance

Résumé

The purpose of the present study is to describe and characterize the anisotropic flow and fracture behaviour of a high-strength aluminium alloy. To this end, 20 mm thick plates of AA7075-T651 aluminium alloy have been tested. Different specimen geometries were used to investigate various stress states. Each specimen was machined in different directions of the plate to enlighten the anisotropy of the material. For all tests, the plastic flow exhibited a slight anisotropy while the failure strain and failure modes showed a very important dependence to the loading direction. A microstructure analysis of the virgin material was performed by scanning electron microscope (SEM) and electron back-scatter diffraction to identify its texture, grain shape and particle distribution. A transmission electronic microscope analysis gave information of the precipitate free zones and their composition. Tensile tests were performed on smooth axisymmetric specimens under uniaxial tension. Tensile tests were also conducted on notched axisymmetric specimens of notch radii R=2.0 mm and R=0.8 mm to obtain higher stress triaxiality states. Shear tests were performed on butterfly specimens and compression tests were performed on cylindrical specimens. Fracture surface analyses were carried out by SEM to identify the failure modes, supported by the microstructure analysis. Based on the plastic anisotropy observed experimentally, the Yld2004-18p anisotropic yield function proposed by Barlat et al. (2005) was chosen to model the elasto-plastic behaviour of the AA7075-T651 alloy. The plastic parameters were calibrated using seven inplane uniaxial tensile tests, a compression test in the normal direction of the plate and a shear test in the rolling direction. Numerical simulations of all the experimental tests were performed using the anisotropic elasto-plastic model. Predicted stress-strain curves were in very good agreement with the experimental curves for all tests including the tensile tests on notched specimens, which were not used in the calibration of the model. The overestimation of predicted stress level, generally observed (e.g. by Wilson, 2002) with notched specimens and isotropic pressure independent yield function, was significantly decreased when taking into account anisotropy. The stress and strain states on elements where failure is experimentally observed were evaluated. The establishment of a failure locus (relation between failure strain and stress triaxiality) was also discussed. Analytical approaches were used to gain some insight of the failure process. First, the void growth approach proposed by Rice and Tracey (1969) was extended to an anisotropic matrix. Then, the usual localization criterion (Rice, 1976) was developed with various constitutive characteristics to account for the shape of the yield function, non-associative plastic flow, large deformations and thermo-mechanical couplings. For industrial applications, a phenomenological failure criterion based on “plastic work”, called the anisotropic extended Cockcroft-Latham (AECL), was proposed. The criterion was calibrated using the seven uniaxial in-plane tensile tests and the shear test performed in the rolling direction. Numerical simulations of all tests were, once again, performed accounting for plastic anisotropy. A parameter study was carried out to enlighten the influence of parameters such as the plastic anisotropy and the failure anisotropy. The predicted failure strain and failure modes were not accurate enough to give predictive capability to this failure criterion in all material tests. Finally, this anisotropic failure criterion was also used in numerical simulations of some impact tests on AA7075-T651 plates with ogival and blunt projectiles. A thermoelastothermoviscoplastic model with anisotropic yielding was used and as for the material tests, a parameter study was performed. Ballistic limits were predicted and compared with the experimental results obtained by Børvik et al. (2010). It was found that the anisotropy of plastic flow and failure had almost no influence at very high impact velocities, while it had a substantial effect at impact velocities close to the ballistic limit. The introduced anisotropy was not found to improve the ballistic limit prediction for all cases, and also other parameters (e.g. yield shape, temperature coefficients and contact algorithms) have a prominent influence on the predicted ballistic limit. However, supported by experimental observations of nonaxisymmetric failure modes (Pedersen et al., 2011), both the plastic anisotropy and the failure anisotropy are believed to be important ingredient of the constitutive model.
L’objectif est d’analyser les effets de l’anisotropie sur le comportement et la rupture de l’alliage AA7075-T651 fourni en tôles laminées de 20 mm d’épaisseur. La morphologie des grains, la répartition des particules, la texture de l’alliage et les joints de grains pauvres en précipités (PFZ) et leur composition sont obtenue par microscopie optique, électronique à balayage (MEB), à transmission (MET) et par EBSD. Des éprouvettes de géométries différentes sont utilisées pour soumettre le matériau à divers états de contraintes (compression et traction uniaxiale, cisaillement, éprouvettes entaillées) et usinées dans différentes directions de la tôle. Les essais de cisaillement sont munis d’une caméra et les déformations sont identifiées par corrélation d’image. La texture de l’alliage engendre une légère anisotropie de la plasticité, mais l’anisotropie de la rupture (déformation et mode) est très prononcée. Les éprouvettes testées sont observées au MEB pour identifier les modes de rupture. La surface de charge Yld2004 utilisée pour représenter la plasticité anisotrope, est calibrée sur les essais de traction et compression uniaxiale et cisaillement. Les simulations numériques sont en accord avec les courbes expérimentales, y compris pour les essais sur éprouvettes entaillées n’ayant pas été utilisés pour calibrer le modèle. La surestimation du niveau de contrainte généralement observée pour ces derniers tests est atténuée par la plasticité anisotrope. Les états (contrainte-déformation) des éléments situés au lieu de rupture expérimentale, pouvant être inhomogènes, posent la question de la pertinence d’une unique relation entre déformation à rupture et triaxialité de contrainte. Plusieurs approches analytiques sont évaluées dans l’espoir de modéliser la rupture de l'alliage. Parmi elles, la théorie de la localisation est résolue pour différents modèles constitutifs (influence de la forme de la surface de charge, de la non-associativité de l’écoulement plastique, des grandes déformations, etc.). Ces développements analytiques ne mènent pas à un critère de rupture directement utilisable. En revanche, la résolution numérique du critère de localisation sera implémentée à la suite de la thèse et appliquée au cas de l'anisotropie plastique avec succès pour l'alliage AA7075-T651. Pour les applications industrielles, un critère de rupture phénoménologique anisotrope AECL (Cockcroft-Latham enrichi anisotrope) est développé, basé sur une variable d’endommagement liée au travail plastique, non-couplée (pour cette étude), et calibré sur les essais de traction uniaxiale et de cisaillement. Les simulations numériques de tous les essais sont réalisées avec le modèle élastoplastique anisotrope et le critère de rupture anisotrope. Les déformations a rupture obtenues pour les tests ayant servis à calibrer le modèle sont corrects, mais ne sont pas assez précises hors du domaine de calibration pour qualifier le critère AECL de prédictif. Finalement, le même modèle anisotrope est utilisé pour les simulations d’impact de tôle par des projectiles à extrémité ogive et tronquée. L’anisotropie a une faible influence à vitesses d’impact élevées mais une influence non-négligeable pour les vitesses d’impact proche de la limite balistique. Les résultats obtenus ne sont pas systématiquement améliorés, mais l’anisotropie est un ingrédient important du modèle puisqu’il prédit des modes de ruptures non-axisymétrique et mérite donc, au même titre que d’autres paramètres influents (forme de la surface de charge, coefficients thermiques ou algorithme de contact), d’être prise en compte dans le modèle constitutif. Les conclusions de cette étude sont enrichies d’une étude préliminaire réalisée dans le cadre d’un projet plus large de modélisation des PFZs. Un modèle numérique de grain et de joint de grain avec une couche unique d’éléments 3D est simulé. Les modèles de plasticité attribués à l’intérieur des grains et aux PFZs diffèrent afin de reproduire qualitativement la localisation des déformations aux joints de grains.
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Dates et versions

tel-01488723 , version 1 (22-03-2017)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01488723 , version 1

Citer

Marion Fourmeau. Characterization and modelling of the anisotropic behaviour of high-strength aluminium alloy. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Norwegian University of Science and Technology; École Normale Supérieure de Cachan, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01488723⟩
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