Study of crack initiation in low-cycle fatigue of an austenitic stainless steel
Etude de l'amorçage en fatigue plastique d'un acier inoxydable austénitique
Résumé
Although crack initiation is proved to play an important role in fatigue, its mechanisms have not been fully understood. Some crack initiation criteria based on physical mechanisms of plastic deformation have been defined. However, these criteria are not easy to use and valid, as they need local variables at the grain scale. The present study aims at establishing a crack initiation criterion in low-cycle fatigue, which should be usable under variable amplitude loading conditions.Tension-compression fatigue tests were first carried out to characterize the mechanical behavior of the stainless steel AISI 316L studied. The mechanical behavior was simulated using a self-consistent model using a crystalline plastic law based on dislocation densities. The evolution of surface damage was observed during a fatigue test using an in situ optical microscopic device. Cracks were analyzed after 2000 cycles and their crystallographic characteristics calculated. As surface grains exhibit larger strain because they are less constraint by neighbor grains, a specific numerical frame is necessary to determine stress state in surface grains. A localization law specific to surface grains under cyclic loading was identified from finite element simulations. The proposed form needs an intergranular accommodation variable, on the pattern of the localization law of Cailletaud-Pilvin. Stress-strain state in surface grains was simulated. Potential indicators for crack initiation were then compared on a same experimental data base. Indicators based on the equivalent plastic strain were found to be suitable indicators of fatigue damage.
Bien que l’amorçage de fissure joue un rôle important en fatigue, ses mécanismes ne sont pas encore pleinement compris. Des critères d'amorçage basés sur des mécanismes physiques de déformation plastique ont été proposés mais ne sont pas faciles à utiliser et à valider, car ils nécessitent des variables locales à l'échelle du grain. L'étude présente vise à établir un critère d'amorçage en fatigue oligocyclique, utilisable sous chargement d'amplitude variable.Le comportement mécanique de l'acier inoxydable AISI 316L étudié a été caractérisé en fatigue oligocyclique. Il a été modélisé par un schéma autocohérent utilisant une loi de plasticité cristalline basée sur l'évolution des densités de dislocations. L'endommagement de surface a été suivi pendant un essai de fatigue à l'aide d'un dispositif de microscopie optique in situ. Les fissures présentes après 2000 cycles ont été analysées et leurs caractéristiques cristallographiques calculées.Comme les grains de surface montrent une déformation plus importante à cause d'un moindre confinement par les grains voisins, il est nécessaire de définir une loi de localisation spécifique aux grains de surface. La forme proposée fait intervenir une variable d'accommodation intergranulaire, sur le modèle de la loi de localisation de Cailletaud-Pilvin. Elle a été identifiée à partir de simulations par éléments finis. L'état des contraintes et des déformations dans les grains de surface a alors été simulé. Des indicateurs d'amorçage potentiels ont ensuite été comparés sur une même base expérimentale. Deux indicateurs pertinents de l'endommagement en fatigue ont pu être obtenus.
Origine : Version validée par le jury (STAR)