Development of a multi-scale approach for modeling cast duplex stainless behavior
Modélisation du comportement d'un acier inoxydable austéno-ferritique moulé vieilli par une approche multi-échelle
Résumé
Monitoring pressurized water reactors components is of interest in long-term operation of nuclear power plants. Components made out of cast duplex stainless steel are subjected to aging when held at their operating temperature. In the long run, thermal aging results in embrittlement due to a microstructural evolution of one of the two phases constituting duplex steels. Kinetics and impact of aging on fracture mechanics have been studied to a great extent using empirical approaches. However, deformation and damage mechanisms leading to fracture are not yet fully understood owing to the complexity of duplex steels microstructure. In this context, a microstructural characterization is performed jointly to in situ mechanical characterization to build a consistent micromechanical model taking the multi scale aspect of the microstructure into account. Eventually, the model must provide a fine description of the material mechanical behavior including the aged state. The microstructure complexity is apprehended by the means of Electron Backscattered Diffraction (EBSD) acquisitions. The material history and specific post-processings of crystallographic data allow microstructural scale properties that are decisive in describing the mechanical behavior to be unveiled. In order to relate crystal plasticity finite element computations to experimental observations, digital images correlation (DIC) is used to provide full-field measurements. They must be consistent with the deformation mechanisms of the studied steels and be accurate enough to capture small deformation mechanisms occurring in each phase (at a micrometre scale) and the resulting displacements at the larger scale of the microstructure (several millimetres). Accordingly, a rigorous approach has been developed to accurately capture large displacement fields and precisely superimpose them with crystallographic data obtained by EBSD. Such measurements highlight the heterogeneous mechanical behavior of the two phases according to their crystallographic orientation, morphology and thermal aging. Finally, a consistent simplified finite element model is proposed to reproduce fundamental features of the mechanical behavior and to further describe stresses and strains distribution in the two phases at the origin of damage nucleation.
Le suivi de l'intégrité mécanique des composants en acier inoxydable austéno-ferritique moulés des réacteurs à eau pressurisée est d'une importance majeure. La justification de leur tenue mécanique est nécessaire afin d'assurer le bon fonctionnement des centrales nucléaires sur le long terme. Le comportement de ces composants est notamment altéré par un vieillissement thermique à la température de fonctionnement. Ce vieillissement entraîne la fragilisation d'une des deux phases constitutives du matériau par une modification de sa microstructure. La cinétique d'évolution des propriétés de résistance à la rupture avec le vieillissement thermique a été abondamment étudiée et modélisée par des approches empiriques. Cependant, les mécanismes de déformation et d'endommagement à l'origine de la rupture ne sont pas entièrement compris à cause de la complexité de la microstructure. Une caractérisation cristallographique détaillée ainsi que des essais mécaniques in situ sont réalisés afin de prendre en compte les particularités de la microstructure et de comprendre leurs effets sur le comportement pour les intégrer dans un modèle micromécanique. Ce modèle a pour objectif de prendre en compte les propriétés multi-échelles de la microstructure ainsi que l'effet du vieillissement. La complexité de l'agencement des deux phases des aciers étudiés est analysée à partir de données cristallographiques acquises par EBSD (Electron Backscattered Diffraction). Grâce à la compréhension des mécanismes de solidification et au développement de post-traitements spécifiques, les différentes échelles de la microstrucure ainsi que leurs paramètres cristallographiques et morphologiques déterminants pour modéliser le comportement sont mis en avant. Dans l'objectif de corréler les champs simulés du modèle aux observations expérimentales, des mesures de champs par corrélation d'images numériques (CIN) sont utilisées pour enrichir les données acquises par les essais in situ. Ces mesures doivent permettre de mettre en évidence les mécanismes de déformation et leur redistribution aux différentes échelles de la microstructure et par conséquent de mesurer des déplacements du micromètre à quelques millimètres. Une méthode robuste de mesure et de superposition avec les données acquises par EBSD a été développée à cet effet. Elle permet d'expliciter l'importance de la répartition des phases et de leurs propriétés sur l'hétérogénéité des champs mécaniques et des variations avec le vieillissement thermique. Enfin, un modèle simplifié s'appuyant sur les observations précédentes est proposé. L'objectif est d'y inclure les paramètres fondamentaux à la compréhension du comportement et de décrire la répartition des champs de contrainte et de déformation dans les phases et aux interfaces menant à l'initiation de l'endommagement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)