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Plane strain transient finite thermomechanical deformations of heat-conducting particulate composites comprised of circular tungsten particulates in nickel-iron matrix are analyzed using the finite element method to delineate the initiation and propagation of brittle/ductile failures by the nodal release technique. Each constituent and composites are modeled as strain hardening, strain-rate-hardening and thermally softening microporous materials. Values of material parameters of composites are derived by analyzing deformations of a representative volume element whose minimum dimensions are determined through numerical experiments. These values are found to be independent of sizes and random distributions of particulates, and are close to those obtained from either the rule of mixtures or micromechanics models. Brittle and ductile failures of composites are first studied by homogenizing their material properties; subsequently their ductile failure is analyzed by considering the microstructure. It is found that the continuously varying volume fraction of tungsten particulates strongly influences when and where adiabatic shear bands (ASB) initiate and their paths. Furthermore, an ASB initiates sooner in the composite than in either one of its constituents. We have studied the initiation and propagation of a brittle crack in a precracked plate deformed in plane strain tension, and a ductile crack in an infinitely long thin plate with a rather strong defect at its center and deformed in shear. The crack may propagate from the tungsten-rich region to nickel-iron-rich region or vice-a-versa. It is found that at the nominal strain-rate of 2000/s the brittle crack speed approaches Rayleigh's wave speed in the tungsten-plate, the nickel-iron-plate shatters after a small extension of the crack, and the composite plate does not shatter; the minimum nominal strain-rate for the nickel-iron-plate to shatter is 1130/s. The ductile crack speed from tungsten-rich to tungsten-poor regions is nearly one-tenth of that in the two homogeneous plates. The maximum speed of a ductile crack in tungsten and nickel-iron is found to be about 1.5 km/s. Meso and multiscale analyses have revealed that microstructural details strongly influence when and where ASBs initiate and their paths. ASB initiation criteria for particulate composites and their homogenized counterparts are different. / Ph. D.

Finite element simulations are carried out to study transient stresses and strains in the pre-cracked (pre-notched) 4340 steel plates impacted by a projectile in the direction of the notch ligament. The computations employed Johnson - Cook model which takes into account strain hardening, strain-rate hardening and thermal softening. An approximate solution of the governing equations is sought by using an explicit finite element code DYNA2D. We analyzed the evolution of the shear and hoop stresses considered to be responsible for two modes of failure: opening crack inclined at 70°, and shear crack inclined at -5° to the notch ligament. At small impact speeds and large notch tip radii failure in the 70° direction is due to the high tensile hoop stress. At high impact speeds and small notch tip radii a failure develops predominantly in the (-5°) -- (-15°) direction, within a zone of the maximum shear stress and compressive hoop stress. / Master of Science

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains. / The aim of this work is to study liquid metal embrittlement (LME) on the T91/Pb-Bi and 316L/Pb-Bi systems. A particular attention is paid to obtain a better understanding of the mechanisms of fracture when steels are in contact with liquid metal. This work has been performed within the European projects MEGAPIE-TEST and EUROTRANS which aim to prove the feasibility of lead-bismuth nuclear systems such as spallation target and subcritical reactors. The effect of liquid Lead Bismuth Eutectic (LBE) on 316L and T91 steels has been studied in plane stress conditions as a function of temperature and strain rate, using a CCT geometry adapted for the study of crack propagation. The presence of LBE modifies the fracture mechanism of T91 and prevents fracture by growth and coalescence of cavities. Cracking proceeds by shear band decohesion. This embrittlement effect is very pronounced at low deformation rate whereas at the high strain rate range investigated, a brittle to ductile transition is observed. The temperature variation of the transition rules out LME mechanisms based on dissolution. A fracture mechanics analysis by the J-µa methodology allowed the quantification of the embrittlement degree which is estimated to 30% reduction in the energy required for crack propagation. The mechanical properties of the 316L steel are weakly affected by the presence of LBE, in spite of a change in the plastic deformation at the highest triaxiality point which strongly affecting fracture surfaces. The mechanism of this embrittlement seems to be based on the deformation localization at the crack tip combined with the phenomenon of surface energy reduction induced by the liquid metal adsorption. It does not involve any diffusion process. The deformation localization is confirmed by an electron microscopy study of the crack tip plasticity of 316L under the influence of a liquid metal.

L’objectif de ce sujet de thèse est de prédire l’apparition des instabilités plastiques (striction diffuse et striction localisée) dans les matériaux métalliques. Ces matériaux sont décrits par des modèles de comportement élasto-plastique couplés à l’endommagement. L'approche de Lemaitre, reliant l'endommagement à la déformation plastique équivalente et au taux de restitution de la densité d'énergie élastique, est adoptée. Parmi les différents critères et indicateurs qui sont considérés pour la prédiction des instabilités matériau, la théorie de bifurcation et les critères de type force maximum sont tout particulièrement analysés et comparés. Un objectif important de cette étude consiste à déterminer les mécanismes déstabilisants clés associés à cette modélisation du comportement, ainsi que l’impact des différents aspects physiques et des paramètres matériau sur l’apparition de la striction. Les développements résultants sont appliqués à une sélection représentative de matériaux métalliques afin prédire leurs limites de formabilités. Cette approche combinant des lois de comportement et critères de striction peut être utilisée comme outil théorique et numérique d’aide à la conception de nouveaux matériaux à ductilité améliorée / The aim of the present work is to predict the occurrence of plastic instabilities (diffuse and localized necking) in thin sheet metals. The prediction of these plastic instabilities is undertaken using an elastic–plastic model coupled with ductile damage, which is then combined with various plastic instability criteria theory. The bifurcation-based criteria and the maximum force criterion used in this work are formulated within a general three-dimensional modeling framework, and then applied for the particular case of plane-stress conditions for sheet metals. Some theoretical relationships or links between the different investigated necking criteria are established, which allows a hierarchical classification in terms of their conservative character in predicting critical necking strains. The resulting numerical tool is implemented into the finite element code ABAQUS/Standard to predict forming limit diagrams, in both situations of a fully three-dimensional formulation and a plane-stress framework. This approach, that combines constitutive equations to necking criteria, serves as a useful tool in the design of new materials with improved ductility

Récemment, les observations in-situ par laminographie aux rayons X (au synchrotron) montrent que les multiples bandes de localisation sont les précurseurs de l'endommagement et éventuellement de la rupture en biseau. Ces bandes peuvent être liées aux phénomènes de vieillissement par la déformation (type effet de L"uders ou Portevin-Le Chatelier (PLC)) dont l'influence sur la rupture est encore mal compris. Ces effets sont pourtant observés dans de nombreux alliages industriels comme les aluminiums de la série 2000 ou 5000, ou par exemple, dans le cas des aciers C-Mn pour lesquels un creux de ductilité est observé dans la gamme de température o'u ces effets sont les plus marqués.L'objectif de la thèse consiste à caractériser l'effet PLC et évaluer son influence sur le développement de l'endommagement et donc sur la rupture finale. D'abord, l'effet de vieillissement sur l'écrouissage a été introduit dans un modèle basé sur la densité de dislocations en utilisant les résultats dans la littérature. Ensuite, certains alliages d'aluminium de la série 2000 et un acier C-Mn ont été étudiés par essais mécaniques avec corrélation d'images.Le déclenchement prématuré de localisation a été observé pendant les essais de relaxation, de déchargement et de changement de vitesse pour certains alliages d'aluminium.Les bandes autour de l'entaille dans l'éprouvette d'acier C-Mn ont été observées à haute température. Deux modes de rupture différents ont été observés dans les deux températures. Ces résultats sont comparés avec ceux du modèle KEMC. Enfin, un modèle de comportement couplant les effets de vieillissement (type KEMC) et d'endommagement (type Rousselier) a été développé pour tenter d'expliquer les interactions observées expérimentalement entre ces deux phénomènes. / Recently, in-situ observations by X-ray laminography (at synchrotron) show that the multiple localization bands are the precursors of damage and possibly the slant fracture. These bands can be related to the strain ageing effect (L"uders or Portevin-Le Chatelier (PLC)) whose influence on the fracture is still poorly understood. These effects are observed in many industrial alloys such as 2000 or 5000 series aluminium alloys, or, for example, in the C-Mn steels for which a ductility drop is observed in the temperature range where these effects are most pronounced.The aim of the thesis is to characterize the PLC effect and to evaluate its influence on the development of ductile damage and therefore on the final fracture. Firstly, the influence of strain ageing on strain hardening was introduced in a model based on the dislocation density using results from the literature. Secondly, several 2000 series aluminium alloys and a C-Mn steel were investigated by mechanical tests combined with Digital Image Correlation. The premature triggering of localization bands was observed in tensile tests involving relaxation, unloading and strain rate jump for certain aluminium alloys. The bands around the notch in the specimens of C-Mn steel were observed at high temperature. Two different modes of fracture were observed at the two temperatures. These results are compared with those produced with the KEMC model. Thirdly, a constitutive model combining the strain ageing (type KEMC) and damage (type Rousselier) was developed in order to explain the experimentally observed interactions between these two phenomena.