Modélisation multi-échelles des propriétés mécaniques d'un alliage d'aluminium de fonderie PDF Download
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Author: Rémi Martinez
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Languages : fr
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Book Description
Ce travail présente les résultats d'un modèle théorique de précipitation de particules Al2Cu dans un alliage d'aluminium de fonderie de type 319 traité thermiquement T7, prenant en compte les équations de la théorie de la coalescence. L'utilisation d'une distribution de taille de particules expérimentale discrétisée comme point de départ du modèle rend possible l'utilisation d'une équation de flux afin de modéliser l'évolution du rayon moyen des particules dans un élément de volume représentatif de l'alliage. L'utilisation d'un schéma numérique implicite permet de ramener la résolution du problème physique à l'inversion d'une matrice tridiagonale. Ainsi, l'évolution du rayon critique de coalescence, du nombre total et de la fraction volumique de précipités sont obtenus pour plusieurs vieillissements. Les résultats du modèle a été confrontés aux résultats des mesures expérimentales qui ont été réalisées à l'aide d'observations en microscopie électronique à transmission et qui ont permis une mesure de la taille des précipités. Ces derniers ont été assimilés à des sphères de volume équivalent aux plaquettes réelles et ont été analysés numériquement. Les résultats fournis par le modèle théorique sont en bon accord avec les mesures expérimentales et ont permis le couplage du modèle de coalescence avec un modèle micromécanique fondé sur la théorie des dislocations et calibré à l'aide d'essais de traction en température. Il permet de déterminer la limite d'élasticité de l'alliage pour un vieillissement jusqu'à 1000h compris entre 23°C et 300°C. La limite d'élasticité est alors assimilée à une somme de trois contraintes~: une contrainte liée à la friction de réseau (contrainte de Peierls), une contrainte liée au contournement des précipités par les dislocations (contrainte d'Orowan) et une contrainte liée à la présence de solution solide. Enfin, des essais de fatigue oligocyclique à différentes températures ont permis de déterminer les variables internes de la loi de comportement macroscopique. Il s'agit d'une loi élasto-viscoplastique de type Lemaitre et Chaboche, à laquelle la limite d'élasticité calculée par le modèle micromécanique est couplée. Ainsi, le comportement physique macroscopique de l'alliage est fonction de la coalescence des précipités. Des calculs 1D ou 3D, par éléments finis, permettent alors de déterminer le comportement général d'une culasse soumise à de la fatigue thermomécanique.
Author: Rémi Martinez
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Ce travail présente les résultats d'un modèle théorique de précipitation de particules Al2Cu dans un alliage d'aluminium de fonderie de type 319 traité thermiquement T7, prenant en compte les équations de la théorie de la coalescence. L'utilisation d'une distribution de taille de particules expérimentale discrétisée comme point de départ du modèle rend possible l'utilisation d'une équation de flux afin de modéliser l'évolution du rayon moyen des particules dans un élément de volume représentatif de l'alliage. L'utilisation d'un schéma numérique implicite permet de ramener la résolution du problème physique à l'inversion d'une matrice tridiagonale. Ainsi, l'évolution du rayon critique de coalescence, du nombre total et de la fraction volumique de précipités sont obtenus pour plusieurs vieillissements. Les résultats du modèle a été confrontés aux résultats des mesures expérimentales qui ont été réalisées à l'aide d'observations en microscopie électronique à transmission et qui ont permis une mesure de la taille des précipités. Ces derniers ont été assimilés à des sphères de volume équivalent aux plaquettes réelles et ont été analysés numériquement. Les résultats fournis par le modèle théorique sont en bon accord avec les mesures expérimentales et ont permis le couplage du modèle de coalescence avec un modèle micromécanique fondé sur la théorie des dislocations et calibré à l'aide d'essais de traction en température. Il permet de déterminer la limite d'élasticité de l'alliage pour un vieillissement jusqu'à 1000h compris entre 23°C et 300°C. La limite d'élasticité est alors assimilée à une somme de trois contraintes~: une contrainte liée à la friction de réseau (contrainte de Peierls), une contrainte liée au contournement des précipités par les dislocations (contrainte d'Orowan) et une contrainte liée à la présence de solution solide. Enfin, des essais de fatigue oligocyclique à différentes températures ont permis de déterminer les variables internes de la loi de comportement macroscopique. Il s'agit d'une loi élasto-viscoplastique de type Lemaitre et Chaboche, à laquelle la limite d'élasticité calculée par le modèle micromécanique est couplée. Ainsi, le comportement physique macroscopique de l'alliage est fonction de la coalescence des précipités. Des calculs 1D ou 3D, par éléments finis, permettent alors de déterminer le comportement général d'une culasse soumise à de la fatigue thermomécanique.
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Publisher: Ed. Techniques Ingénieur
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Languages : fr
Pages : 14
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Author: Pierre Serrano
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Languages : fr
Pages : 202
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Les alliages à base d'aluminures de titane (TiAl) sont des matériaux légers introduits dans la dernière génération de turboréacteurs pour l'aéronautique civil sous la forme d'aube de turbine basse pression. Ces alliages disposent notamment d'excellentes propriétés mécaniques à haute température et d'une résistance spécifique élevée. Leur utilisation reste cependant délicate du fait de leur faible ductilité et ténacité à température ambiante. Afin de trouver de nouvelles applications à ces matériaux, les deux principaux défis pour les futures générations d'alliage sont l'augmentation de la température d'utilisation et l'amélioration des propriétés en fatigue thermomécanique. Dans cette optique, le présent travail consiste à établir un lien entre la microstructure des alliages TiAl et leur tenue en fatigue. Pour cela, des travaux expérimentaux et numériques sont réalisés à différentes échelles d'intérêt sur les quatre microstructures dites génériques de ces matériaux. Dans un premier volet expérimental, un lien entre microstructure et comportement mécanique cyclique est établi via la réalisation d'essais mécaniques à l'échelle macroscopique (i.e. réponse contrainte-déformation), et d'essais micromécaniques qui permettent d'étudier la répartition de la déformation dans la microstructure. Dans un deuxième volet numérique, un modèle de plasticité cristalline permettant de tenir compte des spécificités des microstructures à structure lamellaire des alliages TiAl est défini. Les comportements mécaniques cycliques des quatre microstructures génériques sont ensuite modélisés via la réalisation de calculs éléments finis sur microstructures virtuelles et homogénéisation numérique. Enfin, cette modélisation est utilisée afin de réaliser une analyse aux Indicateurs de Tenue en Fatigue (ITF). Cette analyse permet de comparer les tenues en fatigue des différentes microstructures et d'identifier les éléments microstructuraux qui pilotent la durée de vie en fatigue pour différents régimes de sollicitation. Les résultats obtenus permettent alors d'effectuer un retour vers la métallurgie en indiquant les zones à renforcer pour améliorer les propriétés en fatigue de futurs alliages.
Author: David Carpentier
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Languages : fr
Pages : 246
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EN FONDERIE D'ALUMINIUM, LA PRESENCE DE MICROPOROSITES AU SEIN DES PIECES MOULEES NUIT CONSIDERABLEMENT A LEURS PROPRIETES MECANIQUES. ON COMPREND PAR CONSEQUENT QUE LA MODELISATION ET LA PREDICTION DE LA FORMATION DES MICROPOROSITES PEUVENT ETRE D'UN GRAND SOUTIEN POUR LE FONDEUR. DANS CETTE ETUDE, NOUS AVONS OBSERVE TOUT D'ABORD EXPERIMENTALEMENT LA SENSIBILITE A LA FORMATION DES MICROPOROSITES D'ALLIAGES BINAIRES D'ALUMINIUM-SILICIUM (AL-3%SI, AL-7%SI, AL-11%SI) DANS DES CONDITIONS DE SOLIDIFICATION UNIDIRECTIONNELLE OU UNIFORME. LA CARACTERISATION DE NOS ESSAIS NOUS A PERMIS DE RETROUVER CERTAINES TENDANCES DEJA OBSERVEES EXPERIMENTALEMENT DANS LA LITTERATURE ET NOTAMMENT UNE AUGMENTATION DE LA FRACTION VOLUMIQUE DE PORES AVEC: LA TENEUR INITIALE EN HYDROGENE DISSOUS, UNE MICROSTRUCTURE PLUS GROSSIERE, UNE PRESSION EXTERIEURE PLUS FAIBLE. AU VU DE CES RESULTATS, NOUS AVONS ALORS ADOPTE UNE APPROCHE THERMODYNAMIQUE OU NOUS AVONS MONTRE NOTAMMENT QUE, DANS L'INTERVALLE DE SOLIDIFICATION DES ALLIAGES D'ALUMINIUM, LA DIMINUTION DE LA TEMPERATURE ET L'ENRICHISSEMENT EN SOLUTE DU LIQUIDE RESIDUEL PEUVENT DIMINUER CONSIDERABLEMENT LA SOLUBILITE DE L'HYDROGENE. DANS CES CONDITIONS, LA FORMATION DES MICROPOROSITES PEUT AVOIR LIEU DANS LES PREMIERS STADES DE LA SOLIDIFICATION OU LES PERTES DE PRESSION ASSOCIEES AU RETRAIT DE SOLIDIFICATION SONT ALORS NEGLIGEABLES. NOTRE ETUDE A ABOUTI A LA DEFINITION D'UN MODELE ANALYTIQUE DE PREDICTION DE LA FRACTION VOLUMIQUE DE PORES SE CARACTERISANT PAR LES DEUX ETAPES SUIVANTES: 1) LA DETERMINATION DE LA FRACTION SOLIDE CRITIQUE A PARTIR DE LAQUELLE LA FORMATION DES MICROPOROSITES DEVIENT THERMODYNAMIQUEMENT POSSIBLE, 2) LE CALCUL DE LA FRACTION VOLUMIQUE DE PORES A PARTIR DE LA RESOLUTION DU BILAN DE MASSE POUR L'HYDROGENE. NOTRE APPROCHE PEUT ETRE UTILISEE POUR D'AUTRES ALLIAGES D'ALUMINIUM ET/OU DANS DES CONDITIONS DE SOLIDIFICATION PLUS COMPLIQUEES
Author: Marcin Wronski
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Languages : fr
Pages : 146
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Book Description
Dans la quête incessante de matériaux à propriétés améliorées, pour une plus grande durabilité et un allègement des structures, le développement de simulations numériques des processus de mise en forme plus fiables est plus que jamais d’actualité. Or, la compréhension et la modélisation des mécanismes d’écrouissage et de restauration actifs lors de sollicitations dites complexes sont encore largement insuffisantes pour un grand nombre d’alliages métalliques pour que les simulations de processus de mise en forme puissent être qualifiées de prédictives. Par ailleurs, il est également important de pouvoir modifier les procédés standard de mise en forme afin d’optimiser celle-ci en développant de nouveaux procédés permettant par exemple un affinage de la taille de grain, paramètre important pour optimiser les propriétés mécaniques finales. Parmi ces nouveaux procédés, ceux dits de déformation plastique sévères sont largement étudiés : on peut citer par exemple l’extrusion coudée à aires égales (EqualChannel Angular Pressing, ECAP), le co-laminage cumulatif (Accumulative Roll Bonding, ARB), la torsion sous haute pression (High Pressure Torsion, HPT), le laminage asymétrique (Asymetrical Rolling, AR), ..... Toutes ces méthodes permettent d’imposer de grandes déformations au matériau sans dommage, et modifient fortement les microstructures formées. Notamment, on recherche souvent à fragmenter les grains, ce qui permet d’avoir in fine une taille de grain réduite, synonyme de résistance mécanique accrue. Parmi ces méthodes, le laminage asymétrique est particulièrement intéressant par le fait qu’il est beaucoup plus facilement implantable en milieu industriel que les autres méthodes.Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est donc double : il s’agit tout d’abord d’étudier plus à fond le procédé de laminage asymétrique et notamment son influence sur les modifications de microstructures, d’anisotropie et de propriétés mécaniques de deux alliages métalliques retenus en raison de leur intérêt pour la mise en forme ; on se propose ensuite de s’appuyer sur les résultats expérimentaux obtenus afin d’améliorer la loi de comportement des matériaux étudiés utilisée dans le cadre des simulations par éléments finis. Les deux matériaux retenus sont un alliage d’aluminium (de grade 6061) de structure cubique à faces centrées (cfc) et un titane de pureté commerciale (de grade 2) de structure hexagonale compacte (hc). Le laminoir asymétrique implanté récemment au LSPM qui permet d’imposer de forts taux d’asymétrie (et donc de grandes rotations) a été retenu comme mode de déformation et le suivi des microstructures et des textures cristallographiques a été réalisé par EBSD (Electron Back Scattering Diffraction) et diffraction des rayons X. L’influence du laminage asymétrique sur les évolutions microstructurales a pu être ainsi analysée en détails et a permis de proposer des paramètres matériau pour les lois de comportement utilisées dans les modèles. Ensuite, en couplant un modèle micromécanique à un code d’éléments finis, les simulations réalisées ont permis d’étudier l’influence du laminage asymétrique sur les propriétés mécaniques. Plus précisément, les objectifs que nous nous sommes fixés ont été les suivants : - Caractériser qualitativement et quantitativement les évolutions microstructurales des deux alliages lors du laminage asymétrique, en fonction des paramètres procédé retenus ; - Identifier les paramètres matériaux de la loi de comportement cristalline utilisée dans la partie modélisation, à partir des observations microstructurales et d’essais mécaniques simples ; - Coupler un modèle de type polycristallin à un code d’éléments finis, afin de réaliser des simulations de mise en forme permettant d’accéder non seulement aux évolutions des grandeurs mécaniques mais également aux évolutions de texture ; - Valider le modèle de comportement retenu par confrontation des résultats expérimentaux et numériques (textures surtout). - Discuter finalement de la pertinence du laminage asymétrique pour améliorer les propriétés d’emploi des tôles déformées (avec ou sans recuit après laminage). Le mémoire de thèse est structuré en 5 chapitres principaux, encadrés par une introduction et une conclusion générale. Dans le chapitre 1, le modèle polycristallin retenu est décrit ; il s’agit du modèle polycristallindit LW (Leffers-Wierzbanowski), retenu pour sa simplicité de mise en oeuvre et donc associé à des temps de calcul pas trop lourds, permettant un couplage avec un code d’éléments finis. La loi de comportement utilisée pour le monocristal tient compte du glissement et du maclage (pour le titane uniquement). La capacité de ce modèle à décrire les évolutions microstructurales des alliages métalliques est analysée. Comme, il est par ailleurs bien connu que plusieurs modèles, plus ou moins rigoureux dans leur formulation permettent de reproduire les textures expérimentales au prix parfois d’un ajustement arbitraire de certains paramètres, la capacité prédictive du modèle retenu est analysée plus en détails dans le chapitre 2, qui s’intéresse à la transition de texture bien connue dans les matériaux cfc à énergie de faute d’empilement variable. En effet, en passant d’un matériau à faible énergie de faute d’empilement comme le laiton par exemple à un matériau à énergie de faute d’empilement plus élevée comme le cuivre, on observe une transition dans les textures de laminage, d’une texture dite « Laiton » à une texture dite « Cuivre », composées d’orientations principales différentes. La capacité du modèle LW à reproduire cette transition en ne faisant varier que les paramètres matériau du modèle est donc examinée en détails. Le chapitre 3 décrit la procédure d’implémentation du modèle LW dans le code d’éléments finis ABAQUS/Explicit. Cette procédure s’appuie sur l’écriture d’un module de comportement de type VUMAT, décrit en détails. Ce module est ensuite testé par la simulation d’un essai simple de traction, pour lequel les textures simulées ont été comparées à des textures expérimentales. Le chapitre 4 décrit la partie expérimentale du travail réalisé : les méthodes expérimentales retenues sont tout d’abord décrites (laminage, diffraction X pour les textures crystallographiques, diffraction des électrons rétrodiffusés – EBSD en anglais – dans le microscope électronique à balayage EBSD pour les microstructures). La description des évolutions microstructurales et texturales des deux matériaux déformés à différents taux de déformation et d’asymétrie est ensuite présentée et analysée en détails. On montre notamment que l’asymétrie de laminage permet d’affiner la taille de grain dans la majorité des cas ; cette réduction de la taille de grain est également conservée après le recuit permettant de supprimer l’écrouissage dû au laminage.Le Chapitre 5 décrit ensuite les simulations numériques réalisées. La comparaison des textures simulées et expérimentales pour différents niveaux d’asymétrie et de taux de déformation est très satisfaisante. L’outil développé permet également de reproduire le fait que la distribution des déformations et des contraintes est plus uniforme au sein du matériau après laminage asymétrique qu’après laminage symétrique standard. Les principaux résultats de l’étude sont finalement reprécisés dans la conclusion générale.
Author: Iris Alvarez-Armas
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 1118599918
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 338
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Book Description
Duplex Stainless Steels (DSSs) are chromium-nickel-molybdenum-iron alloys that are usually in proportions optimized for equalizing the volume fractions of austenite and ferrite. Due to their ferritic-austenitic microstructure, they possess a higher mechanical strength and a better corrosion resistance than standard austenitic steels. This type of steel is now increasing its application and market field due to its very good properties and relatively low cost. This book is a review of the most recent progress achieved in the last 10 years on microstructure, corrosion resistance and mechanical strength properties, as well as applications, due to the development of new grades. Special attention will be given to fatigue and fracture behavior and to proposed models to account for mechanical behavior. Each subject will be developed in chapters written by experts recognized around the international industrial and scientific communities. The use of duplex stainless steels has grown rapidly in the last 10 years, particularly in the oil and gas industry, chemical tankers, pulp and paper as well as the chemical industry. In all these examples, topics like welding, corrosion resistance and mechanical strength properties (mainly in the fatigue domain) are crucial. Therefore, the update of welding and corrosion properties and the introduction of topics like texture effects, fatigue and fracture strength properties, and mechanical behavior modeling give this book specific focus and character.
Author: D. Hull
Publisher: Cambridge University Press
ISBN: 1107393183
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 334
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Book Description
This edition has been greatly enlarged and updated to provide both scientists and engineers with a clear and comprehensive understanding of composite materials. In describing both theoretical and practical aspects of their production, properties and usage, the book crosses the borders of many disciplines. Topics covered include: fibres, matrices, laminates and interfaces; elastic deformation, stress and strain, strength, fatigue crack propagation and creep resistance; toughness and thermal properties; fatigue and deterioration under environmental conditions; fabrication and applications. Coverage has been increased to include polymeric, metallic and ceramic matrices and reinforcement in the form of long fibres, short fibres and particles. Designed primarily as a teaching text for final-year undergraduates in materials science and engineering, this book will also interest undergraduates and postgraduates in chemistry, physics, and mechanical engineering. In addition, it will be an excellent source book for academic and technological researchers on materials.
Author: International Atomic Energy Agency
Publisher: International Atomic Energy Agency
ISBN: 9789201063205
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 72
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Book Description
This publication results from a technical meeting on phenomenology and technologies relevant to in-vessel melt retention (IVMR) and ex-vessel corium cooling (EVCC). The purpose of the publication is to capture the state of knowledge, at the time of that meeting, related to phenomenology and technologies as well as the challenges and pending issues relevant to IVMR and EVCC for water cooled reactors by summarizing the information provided by the meeting participants in a form useful to practitioners in Member States.
Author: Claude Bathias
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 1118623371
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 415
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Book Description
The design of mechanical structures with improved and predictable durability cannot be achieved without a thorough understanding of the mechanisms of fatigue damage and more specifically the relationships between the microstructure of materials and their fatigue properties. Written by leading experts in the field, this book (which is complementary to Fatigue of Materials and Structures: Application to Damage and Design, also edited by Claude Bathias and André Pineau), provides an authoritative, comprehensive and unified treatment of the mechanics and micromechanisms of fatigue in metals, polymers and composites. Each chapter is devoted to one of the major classes of materials or to different types of fatigue damage, thereby providing overall coverage of the field. The book deals with crack initiation, crack growth, low-cycle fatigue, gigacycle fatigue, shorts cracks, fatigue micromechanisms and the local approach to fatigue damage, corrosion fatigue, environmental effects and variable amplitude loadings, and will be an important and much used reference for students, practicing engineers and researchers studying fracture and fatigue in numerous areas of mechanical, structural, civil, design, nuclear, and aerospace engineering as well as materials science.
Author: Georges Cailletaud
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 1848215800
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 293
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Book Description
This book focuses on a particular class of models (namely Multi-Mechanism models) and their applications to extensive experimental data base related to different kind of materials. These models (i) are able to describe the main mechanical effects in plasticity, creep, creep/plasticity interaction, ratcheting extra-hardening under non-proportional loading (ii) provide local information (such us local stress/strain fields, damage, ….). A particular attention is paid to the identification process of material parameters. Moreover, finite element implementation of the Multi-Mechanism models is detailed.
