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Modélisation multi-échelles de la localisation plastique dans les matériaux irradiés par incorporation de plasticité cristalline à gradients [Multi-scale modelling of plastic localisation effects in irradiated metals based on crystal gradient plasticity]

Le facteur principal limitant la durée de vie des aciers structuraux dans les centrales nucléaires est leur exposition à des flux massifs de neutrons ; qui pénètrent la matière aisément, et par des collisions avec des atomes, qui produisent des défauts dans les matériaux cristallins. Leur accumulation et leurs interactions avec la microstructure pré-existante modifient radicalement les propriétés mécaniques des matériaux. Dans les métaux, les défauts ainsi créés agissent comme des obstacles au mouvement et à la création de dislocations, augmentant la dureté et diminuant la ductilité des matériaux irradiés. L'apparition de 'bandes claires' (régions allongées dépourvues de défauts d'irradiation) accompagne ces effets à des doses suffisamment importantes de neutrons. Ce projet a pour but d'analyser la relation entre ces évolutions microstructurales et les changements de comportement macroscopique associés en termes de localisation plastique dans les matériaux irradiés. Etant donné que des simulations atomistiques sont requises pour la compréhension de tels phénomènes, celle-ci sera combinée à une formulation de plasticité cristalline à gradients à l'échelle des grains. Le comportement de grains sera homogénéisé pour nourrir une description multi-échelles. La capacité des modèles phénoménologiques à représenter les effets mécaniques de l'irradiation sera analysée à partir de descriptions microstructurales des bandes claires postulées a priori. Les développements consisteront en (i) l'adaptation de théories de plasticité à gradients pour modéliser la présence d'obstacles au glissement des dislocations dans les bandes claires, (ii) la description de l'apparition et de la présence des bandes claires, et l'identification des configurations microstructurales menant à la localisation macroscopique, et (iii) l'utilisation de la représentation à l'échelle du grain dans une boucle multi-échelles de type FE² pour représenter la localisation plastique à l'échelle macroscopique. Ce projet est mené en collaboration avec le centre SCK-CEN (Dr. L. Malerba) [The main factor limiting the lifetime of structural steels for nuclear power plants is their exposure to massive fluxes of neutrons. These particles penetrate matter easily and, by colliding with atoms, produce defects in crystalline materials. The accumulation and interaction of such defects with the pre-existing microstructure, radically alter the mechanical properties of the materials. In metals such defects act as obstacles for dislocation motion and creation, thus increasing hardness and reducing ductility of irradiated materials. The appearance of so-called clear bands (elongated regions free of radiation defects) almost invariably accompanies the decrease in macroscopic ductility at sufficiently high neutron dose. The objective of the project consists in bringing additional knowledge on the relationship between microstructural evolution and macroscopic properties changes in terms of plastic localisation in irradiated metals. Since much understanding of such phenomena comes from atomistic simulations, the insight gained from such tools will be combined with a gradient crystal plasticity framework at the scale of individual grains, thus applying a multiscale approach. The grain size behaviour will be upscaled towards the macroscopic behaviour to model a tensile test. The ability of phenomenological models to represent the mechanical effects of irradiation will be investigated based on a priori postulated microstructural descriptions of the clear bands. The developments will consist in: (i) adapting gradient plasticity to model the proper type of materials in the presence of obstacles for dislocation glide (clear bands vs grain boundaries), (ii) choosing a proper description for the appearance and presence of clear bands, and identifying microstructural configurations in which the conditions for macroscopic localisation are met, and (iii) using the grain scale descriptions within a multilevel FE scheme allowing to incorporate macroscopic plastic localisation. This project is organised in collaboration with SCK-CEN (Dr. L. Malerba) ]



responsable


Thierry J. MASSART


disciplines et mots clés déclarés


Déformation, rupture matériaux Dégâts radioactifs aux matériaux Génie nucléaire

bandes claires confinement plastique localisation plastique métaux irradiés modélisation micromécanique modélisation multi-échelles plasticité à gradients