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Theses Year : 2020

Microstructure-based multi-scale modeling of plastic deformation in harmonic structured materials

Modélisation multi-échelle basée sur la microstructure de la déformation plastique dans les matériaux structurés harmoniques

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Abstract

The ‘harmonic structure (HS)’ design method proposed by Ameyama andco-workers is the result of a relentless quest to obtain an improved combination ofstrength and ductility in metallic materials. Understanding the microstructure-propertyrelationships and the underlying deformation mechanisms is of crucial importance inoptimizing the microstructure design and quantitative prediction on mechanicalproperties. Although extensive experimental efforts have been made, it is found thatthese achievements are still insufficient for practical engineering needs. Experimentalobservations have shown that different harmonic structured materials generallyexhibit different complex microstructures and accordingly different mechanicalbehavior, thus inducing distinctive deformation mechanisms. The objective of thepresent thesis is to develop a three-dimensional multi-scale numerical model toinvestigate the microstructure dependent mechanical behavior of different HSmaterials. An explicit self-consistent method called ‘β-rule’ is introduced into themodel so that the direct meshing of a large number of grains for harmonic structuredmaterials is averted and the gigantesque computation task is significantly reduced. A3D crystal plasticity model for lamellar α+β colonies is adopted instead of the generalcrystal plasticity theory since the latter requires to explicitly constructing the mesh ofthe fine details of alternating laths of α phase and β phase. Besides, high fidelitymodeling simulations are carried out to provide an insight into themicrostructure-property relationships of Ti-6Al-4V with conventional homogeneousmicrostructure as well as the influence of strengthening effect of α/β phase interfaces.The developed model is capable of considering the influence of detailedmicrostructure features and crystallographic factors such as the anisotropy of slipstrengths, the phase distributions, the realistic 3D textures, the length scale dependentcritical resolved shear stress considering the grain boundary strengthening effect andthe obstacle to slip transmission of α/β phase interfaces as well as a wide range ofrandom grain orientations. The developed model is then implemented in a FE codeCas3M to numerically reproduce experimental tests concerning the monotonic andcyclic simple shear deformation of HS materials. The results obtained in thesimulations are in good agreement with the experimental data.
Le concept de « structure harmonique», SH, est une démarche mise en place pour répondre à la quête incessante pour obtenir une synergie entre la résistance et la ductilité dans les matériaux métalliques. Comprendre les relations entre la microstructure et les propriétés macroscopiques et les mécanismes de déformation sous-jacents est d'une importance cruciale pour optimiser la conception de la microstructure et la prévision quantitative des propriétés mécaniques. Bien que des efforts expérimentaux importants aient été faits, il s'avère que ces réalisations sont encore insuffisantes pour les besoins d'ingénierie pratique. Des observations expérimentales ont montré que différents matériaux structurés harmoniques présentent généralement des microstructures complexes différentes et en conséquence un comportement mécanique différent, induisant ainsi des mécanismes de déformation distinctifs. L'objectif de la présente thèse est de développer un modèle numérique multi-échelle en trois dimensions pour étudier le comportement mécanique dépendant de la microstructure de différents matériaux HS. Une méthode explicite auto-cohérente appelée ‘β-rule’ est introduite dans le modèle afin que le maillage direct d'un grand nombre de grains pour les matériaux structurés harmoniques soit évité et que la tâche de calcul gigantesque soit considérablement réduite. Un modèle 3D de plasticité cristalline pour les colonies lamellaires α+β est adopté à la place de la théorie générale de la plasticité cristalline car cette dernière nécessite de construire explicitement le maillage des détails fins des lattes alternées de la phase α et de la phase β. En outre, des simulations de modélisation haute fidélité sont effectuées pour fournir un aperçu des relations microstructure-propriété du Ti-6Al-4V avec une microstructure homogène conventionnelle ainsi que l'influence de l'effet de renforcement des interfaces de phase α/β. Le modèle développé est capable de prendre en compte l'influence des caractéristiques détaillées de la microstructure et des facteurs cristallographiques tels que l'anisotropie des forces de glissement, les distributions de phases, les textures 3D réalistes, la contrainte de cisaillement résolue critique dépendante de l'échelle de longueur en tenant compte de l'effet de renforcement des limites des grains et de l'obstacle pour faire glisser la transmission des interfaces de phase α/β ainsi qu'une large gamme d'orientations de grains aléatoires. Le modèle développé est ensuite implémenté dans un code FE Cast3M pour reproduire numériquement des tests expérimentaux en cisaillement simple 4 monotone ou cyclique des matériaux HS. Les résultats obtenus dans les simulations sont en bon accord avec les données expérimentales.
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Dates and versions

tel-03349448 , version 1 (20-09-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03349448 , version 1

Cite

Xiang Wang. Modélisation multi-échelle basée sur la microstructure de la déformation plastique dans les matériaux structurés harmoniques. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université Paris-Nord - Paris XIII, 2020. Français. ⟨NNT : 2020PA131015⟩. ⟨tel-03349448⟩
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