Developpement of a microstructural-based elastoviscoplastic homogenization model for austenitic-ferritic stainless steels

Les aciers inoxydables duplex austéno-ferritiques (AF) moulés sont utilisés dans le circuit primaire des réacteurs à eau pressurisée. Ils offrent une bonne combinaison de propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion. Cependant, aux conditions de service (environ 300°C) et pendant de longues durées d'exposition (plus de 10 000 h), ils sont sensibles à la fragilisation par vieillissement thermique principalement due à l'évolution microstructurale de la ferrite. Prévoir finement cette fragilisation du matériau nécessite une bonne estimation des contraintes et des déformations dans les phases est nécessaire. Concernant la microstructure de ce matériau, quatre échelles d'intérêt ont été relevées : les lattes monocristallines de chaque phase (1), les clusters de lattes (2), le grain primaire ferritique appelé « bicristal » (3) et le poly-bicristal représentant l'échelle macroscopique et formé d'un ensemble de grains primaires (4). A la troisième échelle, les deux phases sont bipercolées et tendent à avoir des relations d'orientations cristallographiques proches de celles de Kurdjumov-Sachs (KS), Pitsch et Nishiwama-Wasserman. Cette échelle représente la complexité de la microstructure de ce matériau et le principal défi des transitions d'échelle. Dans ce travail, à l'échelle 1, le comportement des monocristaux pour les deux phases est modélisé à l'aide de la loi de plasticité cristalline de Méric-Cailletaud. Ensuite, à la deuxième échelle, une structure austénite/ferrite lamellaire modélisant la morphologie des clusters de lattes est développée avec des plans d'habitat de type {110} dans la ferrite et une relation d'orientation KS entre les deux phases, en suivant une analyse EBSD. A la troisième échelle, la microstructure du « bicristal », est alors modélisée comme un agrégat de 24 domaines sphériques contenant les structures lamellaires biphasées correspondant aux 24 variants KS. Le schéma auto-cohérent en élastoviscoplasticité est utilisé via la méthode d'homogénéisation à base des champs translatés pour obtenir le comportement homogénéisé à cette échelle. Ici, la même méthode des champs translatés est appliquée à l'échelle macroscopique pour prédire le comportement mécanique du « poly-bicristal ». Aux deux échelles intermédiaires, les données et analyses EBSD sont utilisées pour alimenter physiquement le modèle multi-échelles. Le nouveau modèle rend compte des états de contraintes et de déformation dans la ferrite et dans l'austénite, ainsi que les champs moyens à l'échelle du cluster de lattes et à l'échelle d'un grain ferritique primaire. La stratégie de double transition d'échelle que nous proposons dans ce travail de thèse est donc en meilleure adéquation avec la microstructure complexe des aciers AF au vu des nouvelles données EBSD par rapport aux précédents modèles appliqués au matériau. Ce travail a aussi donné lieu à une implémentation numérique du schéma auto-cohérent en élastoviscoplasticité à base de champs translatés à l'aide du générateur de code MFront pour le calcul de structures dans code_aster, le solveur numérique de EDF R&D.Cast duplex austeno-ferritic stainless steels are used in primary loop of Pressurised Water Reactors. They offer a good combination of mechanical properties and corrosion resistance. However, at service conditions (about 320°C) and during long times of exposure (more than 10 000 h), the ferrite phase embrittles. This is due to a well-known phenomenon called ‘475°C embrittlement'. The mechanical resistance of the material is then strongly affected. A precise prediction of this embrittlement requires a good estimate of the stresses and strains in the phases is necessary. Regarding the microstructure of this material, four scales of interest can be pointed out: monocrystalline laths of each phase (1), the laths clusters (2), a ferritic primary grain called “bicrystal” (3) and “poly-bicrystals” representing the macroscopic scale : agregate of primary grains (4). At the third scale, the two phases are bipercolated and tend to have some crystallographic orientations relationships such as Kurdjumov-Sachs (KS), Pitsch and Nishiwama-Wasserman. This scale represents the complexity of the microstructure of this material and the main challenge for the scale transitions. In this present work, at scale 1, the behavior of single crystals for the two phases is modeled using the Méric-Cailletaud's crystal plasticity law. Then, at the second scale, a laminate austenite/ferrite structure modelling the morphology of the lath clusters (2) is developed with {110}-type habit planes in the ferrite and a KS orientation relationship between the two phases, following EBSD data and analyses. At the third scale, the microstructure of the “bicrystal” corresponding (3), is then modelled as an aggregate of 24 spherical domains containing the two-phase lamellar structures corresponding to the 24 KS variants. The self-consistent (SC) scheme is used via the homogenized translated field (TF) method to obtain the homogenized behavior at this scale. Here, the same method of translated fields is applied to predict the macroscopic mechanical behavior of the poly-bicrystal. At the two intermediate scales, EBSD data and analyses are used to physically feed the multi-scale model. The new model gives the stress and strain states in ferrite and austenite, as well as the average fields in the lath cluster and in the primary ferritic grain. The double scale transition strategy that we propose in this thesis work is then better suited to the complex microstructure of AF steels compared to previous models applied to the material. In this work, the elastoviscoplastic SC scheme based on the TF method has been implemented with the help of the MFront code generator in order to perform finite elements calculations through code_aster, the solver of EDF R&D