Etude expérimentale et numérique de la rupture ductile sous chargement multiaxial
Experimental and numerical analysis of ductile fracture under multiaxial loading
Résumé
A stocky tubular tension-torsion specimen geometry was optimized to characterize the effect of the stress state (stress triaxiality and Lode angle parameter) on metals ductility, at low stress triaxialities. Biaxial tests (proportional and non-proportional) were performed on 36NiCrMo16 steel and 2024-T351 aluminum alloy. Strain fields were measured by stereo-correlation of digital images during the tests. Loading paths to fracture (evolution of the equivalent plastic strain, the stress triaxiality and the Lode angle parameter at the critical point) were determined. The evolution of aluminum ductility with respect to the stress triaxiality measured from tension-torsion tests differed substantially from that obtained by Bao and Wierzbicki in 2004. Indeed, the latter suggested a minimal ductility under shear, while the tension-torsion technique revealed a maximal ductility under shear. Non-proportional loading paths were shown to have an influence on ductility, by means of tests consisting in a pre-compression, pre-tension or pre-torsion, followed by a proportional loading sequence under combined tension-torsion. SEM observations of metallographic sections from biaxial interrupted tests, a real-time monitoring of the surface strain and damage during in-situ torsion tests in the SEM, and a crack propagation test coupled with in-situ X-ray synchrotron laminography brought evidences of localization phenomena at different scales, and of the growth of some cavities, even under pure shear, by contrast with the total collapse predicted by unit cell models. This growth may be due to the significant axial elongation measured under pure torsion (Swift effect). Shear localization was identified as the main coalescence mechanism, which justifies the choice of the Hosford-Coulomb fracture initiation criterion. Used in conjunction with a non-linear damage indicator, it accounts for the measured ductilities, even under possibly non-proportional loadings.
Une géométrie d'éprouvette tubulaire de traction-torsion entaillée a été optimisée pour caractériser l'effet de l'état des contraintes (triaxialité et paramètre de Lode) sur la ductilité des métaux à faible taux de triaxialité. Des essais biaxiaux proportionnels ou non, accompagnés de mesures des champs cinématiques par stéréo-corrélation d'images ont été réalisés sur un acier 36NiCrMo16 revenu et un alliage d'aluminium 2024-T351. Les trajets de chargement à rupture (évolution au point critique de la déformation plastique équivalente, de la triaxialité des contraintes et du paramètre de Lode) ont été obtenus. L'évolution de la ductilité de l'alliage d'aluminium en fonction de la triaxialité obtenue en traction-torsion diffère notablement de celle obtenue par Bao et Wierbicki en 2004 qui suggérait une ductilité minimale en cisaillement, tandis que la technique de traction-torsion révèle une ductilité maximale en cisaillement. Un effet notable des trajets de chargement non monotones ou non proportionnels sur la ductilité a été mis en évidence au moyen d'essais séquentiels composés d'un pré-chargement en compression, torsion ou traction, suivi d'une séquence de chargement proportionnel en traction-torsion combinées. Des observations au MEB de coupes métallographiques à l'issue d'essais biaxiaux interrompus, ainsi qu'un suivi en temps réel de la déformation et de l'endommagement en surface, lors d'essais de torsion dans le MEB et un essai de fissuration couplé à un suivi 3D de l'endommagement par laminographie sous rayonnement synchrotron ont mis en évidence des phénomènes de localisation à de multiples échelles ainsi que la croissance de certaines cavités, même en cisaillement pur, qui contraste avec l'affaissement total prédit par les modèles de cellule élémentaire. Ceci semble lié à l'allongement axial significatif mesuré en torsion pure (effet Swift). La localisation par cisaillement apparaît comme le mécanisme prédominant de coalescence des cavités, ce qui justifie l'adoption d'un critère d'initiation de la rupture de type Hosford-Coulomb. Utilisé en conjonction avec un indicateur non-linéaire d'endommagement il permet de rendre compte des ductilités mesurées, y compris sous chargement potentiellement non-proportionnel.
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