Fatigue design for advanced energy systems using comprehensive, cyclic plasticity models
Durée de vie en fatigue et mécanismes de plasticité cyclique
Résumé
This thesis develops advanced physical models for predicting fatigue life in face-centered cubic (FCC) materials, particularly 316L stainless steel. Building upon previous discrete dislocation dynamics (DDD) simulations, the research focuses on the mechanisms of fatigue crack initiation and propagation under complex loading conditions (for instance, the ratcheting effect due to the presence of mean stress). This work introduces a Stage II fatigue crack propagation model and a micro-crack initiation model, based on the microscopic plasticity mechanisms observed in DDD simulations. The Stage II fatigue crack propagation model summarized the findings of DDD simulations in the form of a Paris' law-like equation. This equation correlates the crack propagation rate to various internal material variables and loading conditions. Next, based on a grain aggregate extracted from an actual material specimen, a stochastic investigation is performed to evaluate the dispersion of fatigue lifetime under different loadings. The results obtained from this model are compared with applicable experimental data in different forms (fatigue lifetime, propagation rate, etc.) in terms of both the absolute value and dispersion of the fatigue lifetime. Our micro-crack initiation model is based on the extrusion growth rate of the persistent slip markings (PSM) observed on the surface of grains. Prior DDD simulations helped develop an equation to evaluate the extrusion growth rate based on the loading conditions, grain shape and other environmental factors. In this work, we developed a specific model accounting for the ratcheting effect in order to evaluate its impact on the PSM growth rate. Both the models are calibrated and validated using experimental data in various forms. The findings of these two models are combined to provide a fatigue lifetime prediction model that covers a broad range of loading conditions. The model results highlight two distinct lifetime regimes: one controlled by the crack propagation and the other by the crack initiation. The results agree well with experimental data for the entire range of supported loadings.
Cette thèse développe des modèles physiques permettant de prédire la durée de vie en fatigue des matériaux à structure cubique à faces centrées (CFC), en particulier l'acier inoxydable 316L. Ces modèles s'appuient sur des simulations de dynamique discrète des dislocations (DDD) réalisées précédemment. Le principal objectif de ce travail est d'adapter les modèles d'amorçage et de propagation à des conditions de chargement complexes (par exemple, l'effet de rochet associé à la présence de contrainte moyenne). Notre modèle de propagation des fissures de fatigue de stade II reprends une équation de propagation semblable à la loi de Paris. Cette équation relie le taux de propagation des fissures à différentes variables d'évolution du matériau dans les conditions de chargement sélectionnées. En suite, sur la base d'un agrégat de grains extrait d'un échantillon de matériau réel, une étude stochastique est réalisée pour évaluer la dispersion de la durée de vie en fatigue sous différents chargements. Les résultats obtenus à partir de ce modèle concordent bien avec les données expérimentales sous différentes formes (durée de vie en fatigue, taux de propagation, etc.) en termes de valeur absolue et de dispersion de la durée de vie en fatigue. Le modèle d'amorçage des micro-fissures repose sur un mécanisme qui s'appuie sur le taux de croissance des extrusions (PSM) observées dans les grains de surface et prédites par les calculs DDD. Pour évaluer le taux de croissance des extrusions en fonction des conditions de chargement, de la forme des grains et de l'environment (air, vide, etc.), un modèle général de fatigue est proposé pour prédire l'effet de rochet afin d'évaluer son impact sur l'amorçage des micro-fissures. Les deux modèles sont calibrés et validés à l'aide de données expérimentales sous diverses formes aussi. Les résultats de ces deux modèles sont combinés pour fournir un modèle de prédiction de la durée de vie en fatigue couvrant une large gamme de chargements, divisés en deux catégories : l'une contrôlée par la propagation des fissures et l'autre par l'amorçage des fissures. Les résultats sont validés par comparaison avec les données expérimentales pour l'ensemble de la gamme de chargement sélectionné.
Domaines
Matériaux| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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