Techniques de simulation précise du fluage

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Le fluage est fondamentalement causé par la mouvement de défauts activé par la chaleur dans la structure du matériau. À des températures élevées, ces défauts (principalement des vides et dislocations) se déplacent et se réarrangent, provoquant une déformation permanente en cas de contrainte soutenue.

Le fluage des matériaux n’est pas simplement une défaillance macroscopique ; il s’agit d’un processus complexe et irréversible régi par la physique des microstructures. Lorsque les composants fonctionnent à des températures supérieures à leur température homologue critique (généralement 0,4T_m), une énergie thermique suffisante devient disponible pour activer les processus atomiques ou microstructuraux. Cette énergie permet aux défauts cristallins de surmonter les barrières énergétiques locales.

La déformation permanente est donc régie par trois catégories principales de mouvements au sein du réseau cristallin et de la structure des grains :

1. Mouvement de dislocation : Le mouvement des défauts linéaires (dislocations) à travers le réseau cristallin via la montée et le glissement.
2. Diffusion atomique : Migration d’atomes ou de lacunes à travers le réseau ou le long des joints de grains.
3. Glissement des joints de grains (GBS) : Le mouvement tangentiel relatif des grains adjacents.

Le mécanisme dominant dépend fortement des conditions spécifiques de contrainte et de température. Comprendre quel mécanisme contrôle la vitesse de déformation est la première étape pour effectuer une analyse significative de la déformation. simulation de fluage.

Puisque de multiples processus thermiquement activés conduisent à la dégradation du matériau. Les processus d’activation thermique qui en résultent sont les suivants fluage des matériaux est rarement contrôlée par un seul facteur. En effet, la vitesse de déformation macroscopique dépend fortement de l’interaction spécifique de la contrainte appliquée, de la température et de la microstructure (telle que la taille des grains). Par conséquent, pour réaliser des simulation de fluageles ingénieurs doivent définir rigoureusement les lois cinétiques fondamentales qui régissent chaque processus physique dominant. Les sections suivantes détaillent ces mécanismes essentiels, y compris le fluage par dislocation et le fluage par diffusion, qui dictent la réponse du matériau en fonction du temps.

2.1. Fluage contrôlé par diffusion (faible contrainte/Nabarro-Herring et Coble)

Les processus de diffusion dominent la réponse au fluage à haute température et à faible contrainte.

• Fluage Nabarro-Herring (diffusion sur réseau) :Ce mécanisme implique la diffusion d’atomes à travers le réseau cristallin (diffusion globale). Le mouvement est entraîné par des gradients de vacuité induits par la contrainte. En conséquence, la vitesse de déformation par fluage est inversement proportionnelle à la vitesse de déformation. carré de la taille des grains ().

où est la vitesse de déformation, σ est la contrainte appliquée, d est la taille du grain, Qd est l’énergie d’activation pour la diffusion, R est la constante universelle des gaz, T est la température absolue et A1 est une constante dépendant du matériau.

• Coble Creep :Ce mécanisme implique un transport atomique concentré le long des joints de grains. Le fluage de Coble domine dans les matériaux à grains fins. Par conséquent, la vitesse de déformation est inversement proportionnelle à la cube de la taille des grains ().

2.2. Fluage des dislocations (fluage de la loi de puissance/loi de Norton)

Le fluage des dislocations contrôle la déformation à des niveaux de contrainte modérés à élevés. Il se caractérise par le mouvement des dislocations. Les dislocations se déplacent par glissement et par activation thermique. escalade.

Le fluage permet aux dislocations de contourner les obstacles en échangeant des vacations avec le réseau. La vitesse de déformation à l’état stable suit la loi de puissance de Norton, où la vitesse est proportionnelle à la contrainte élevée à une puissance n. Pour le fluage des dislocations, l’exposant de la contrainte varie généralement de 3 à 8.

L’équation montre clairement la dépendance exponentielle de la température (T) et la dépendance non linéaire de la contrainte (), où est l’exposant de contrainte.

2.3. Fluage par traînée de soluté

Le fluage par traînée de soluté est un mécanisme caractérisé par la résistance imposée par les atomes de soluté au mouvement des dislocations. Les atomes de soluté se regroupent autour du noyau de la dislocation, formant un Atmosphère de Cottrell. En conséquence, la dislocation a besoin d’une énergie plus élevée pour se détacher de cet amas. Ce mécanisme renforce la résistance au fluage en augmentant l’énergie d’activation effective requise pour le mouvement de la dislocation.

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