Search

International audience; As other metallic materials, in low-cycle fatigue, duplex stainless steels (DSS) exhibit a cyclic hardening, followed by a cyclic softening, before stabilization of the stress. In order to simulate the cyclic hardening/softening curves in low-cycle fatigue of an austenitic–ferritic or duplex stainless steel (DSS), a new polycrystalline model is proposed. The polycrystalline model developed by (Cailletaud, 1992) and (Pilvin, 1990) and modified by Hoc and Forest (2001) was previously extended in Evrard et al. (2008) in order to take into account the bi-phased character of the DSS. This model correctly accounts for the cyclic hardening, but it is not able to simulate the cyclic softening, consequently, stresses at the stabilized state are overestimated. TEM observations of the dislocation structures built during a cyclic uniaxial tension/compression test show that, during the cyclic hardening, planar arrangements are observed in austenitic grains and no significant evolution is observed during the subsequent cyclic softening and stabilization stage. On the contrary, in ferritic grains, dislocations are homogeneously distributed during cyclic hardening, and the microstructure evolves during the subsequent cyclic softening and stabilization stage. Dislocation structures build progressively, consisting of hard zones or walls, separated by soft zones or channels. We propose to model the cyclic softening through dislocation structure evolution within ferritic grains. The single crystal law used by Hoc and Forest (2001) is modified in order to take into account the heterogeneous distribution of dislocations in the ferrite. Numerical simulations are compared with experimental data. A good agreement is observed between experimental and calculated hardening/softening curves and stabilized hysteresis loops.

The aim of the present paper is to propose a polycrystalline approach in order to model the elastic–plastic behavior of an austenitic–ferritic stainless steel. In order to take into account the specific character of the steel, the multi-scale polycrystalline approach proposed by Cailletaud–Pilvin [Pilvin, P., 1990. Approches multiechelles pour la prevision du comportement anelastique des metaux, PhD Thesis, Universite Pierre et Marie Curie; Cailletaud, G., 1992. A micromechanical approach to inelastic behavior of metals. International Journal of Plasticity 8, 55–73; Cailletaud, G., Pilvin, P., 1994. Utilisation des modeles polycristallins pour lecalcul par elements finis. Revue Europeenne des Elements Finis 3 (4), 515–541] is extended to bi-phased material. In particular, two interaction laws and two local behaviors, based on the crystallographic slip and the dislocation density evolution, are simultaneously considered. After an identification of the model parameters on simple tests (monotonous tension, tension-compression), we propose an evaluation of the predictive capabilities of the multi-scale approach for non-proportional loading paths. A good agreement is observed between simulation and experimental data.

As part of an important experimental and numerical research program launched by Electricité De France on the 16MND5 pressure vessel steel, sequenced and in-situ tensile tests are realized at low temperatures [-196°C;-60°C]. They enable to associate the observation of specimens, the complete cartography of which has been made with a scanning electron microscope (damaging processes, initiation and propagation of microcracks), with the stress states determined by X-ray diffraction, in order to establish relevant criteria. All these measurements enable to supply a two-scale polycrystalline modeling of behavior and damage (Mori-Tanaka/self-consistent) which is developed concurrently with the experimental characterization. This model proves to be a very efficient one, since it correctly reproduces the influence of temperature experimentally defined: the stress state in ferrite remains less important than in bainite (the difference never exceeds 150MPa), whereas it is much higher in cementite. The heterogeneity of strains and stresses for each crystallographic orientation is well rendered; so is cleavage fracture normal to the {100} planes in ferrite (planes identified by electron back scattered diffraction during an in-situ tensile test at -150°C), which occurs sooner when temperature decreases, for a constant stress of about 700MPa in this phase., Dans le cadre d'un vaste programme de recherche expérimental et numérique lancé par Electricité De France sur l'acier de cuve 16 MND5, des essais de traction interrompus et in-situ sont réalisés à basses températures [-196°C;-60°C]. Ils permettent de coupler l'observation des éprouvettes entièrement cartographiées au microscope électronique à balayage (endommagement, initiation et propagation des microfissures) avec les états de contrainte déterminés par diffraction des rayons X, dans le but d'établir des critères pertinents. Toutes ces mesures permettent d'alimenter un modèle polycristallin de comportement et d'endommagement à deux échelles (Mori-Tanaka/autocohérent), qui est développé parallèlement à la caractérisation expérimentale. Ce modèle s'avère très performant, car il reproduit correctement l'influence de la température constatée expérimentalement: l'état de contrainte dans la ferrite reste inférieur à celui de la bainite (l'écart ne dépasse jamais 150MPa), alors que la cémentite est beaucoup plus chargée. L'hétérogénéité des déformations et des contraintes par orientations cristallographiques est également bien traduite, tout comme la rupture par clivage suivant les plans {100} du cristal de ferrite (plans identifiés par electron back scattered diffraction lors d'un essai de traction in-situ à -150°C), qui survient plus rapidement lorsque la température diminue, pour une contrainte constante dans cette phase d'environ 700MPa

La nature biphasée de l’acier bainitique 16MND5 (ferrite/cémentite) fait de la Diffraction des Rayons X (DRX) l’outil privilégié pour déterminer les états de contrainte dans la phase ferritique (méthode des sin2 ψ). Couplés aux observations réalisées lors d’essais de traction (surface des éprouvettes et faciès de rupture), ces derniers ont permis d’établir des critères décrivant le comportement et l’endommagement dumatériau à l’échelle cristallographique, aux points bas de la transition fragile-ductile ainsi qu’aux basses températures [−196 ◦C;−60 ◦C]. Au cours du chargement, l’endommagement est observé au Microscope Electronique à Balayage, tandis que les contraintes internes sont déterminées par DRX : l’état de contrainte dans la ferrite est inférieur à celui de la bainite (contrainte macroscopique), l’écart n’excédant pas 150 MPa. Un modèle polycristallin à plusieurs échelles est développé parallèlement aux mesures expérimentales : une formulation de type Mori–Tanaka est utilisée pour décrire le comportement élastoplastique d’un monocristal ferritique renforcé par des précipités de cémentite, le passage au polycristal étant réalisé par une approche autocohérente. La modélisation développée prend en compte l’influence de la température sur les états de contrainte dans chaque phase et inclut un critère de clivage (valeur critique de la contraite normale aux plans {100}), qui traduit l’endommagement du matériau : elle permet ainsi de prédire le comportement réel de l’acier 16MND5 en fonction de la température, et de prendre en compte le mode de rupture qui est fragile à partir de −120 ◦C. En outre, il est également possible de calculerles déformations des plans diffractants εϕψ, qui peuvent être comparées à celles mesurées par DRX : cela permet d’évaluer les déformations par orientation cristallographique.; International audience; La nature biphasée de l’acier bainitique 16MND5 (ferrite/cémentite) fait de la Diffraction des Rayons X (DRX) l’outil privilégié pour déterminer les états de contrainte dans la phase ferritique (méthode des sin2 ψ). Couplés aux observations réalisées lors d’essais de traction (surface des éprouvettes et faciès de rupture), ces derniers ont permis d’établir des critères décrivant le comportement et l’endommagement dumatériau à l’échelle cristallographique, aux points bas de la transition fragile-ductile ainsi qu’aux basses températures [−196 ◦C;−60 ◦C]. Au cours du chargement, l’endommagement est observé au Microscope Electronique à Balayage, tandis que les contraintes internes sont déterminées par DRX : l’état de contrainte dans la ferrite est inférieur à celui de la bainite (contrainte macroscopique), l’écart n’excédant pas 150 MPa. Un modèle polycristallin à plusieurs échelles est développé parallèlement aux mesures expérimentales : une formulation de type Mori–Tanaka est utilisée pour décrire le comportement élastoplastique d’un monocristal ferritique renforcé par des précipités de cémentite, le passage au polycristal étant réalisé par une approche autocohérente. La modélisation développée prend en compte l’influence de la température sur les états de contrainte dans chaque phase et inclut un critère de clivage (valeur critique de la contraite normale aux plans {100}), qui traduit l’endommagement du matériau : elle permet ainsi de prédire le comportement réel de l’acier 16MND5 en fonction de la température, et de prendre en compte le mode de rupture qui est fragile à partir de −120 ◦C. En outre, il est également possible de calculerles déformations des plans diffractants εϕψ, qui peuvent être comparées à celles mesurées par DRX : cela permet d’évaluer les déformations par orientation cristallographique.