Investigation of micro scale behaviour with crystal plasticity: a study of Haynes 230

In this Ph.D. thesis, the microstructural behavior of a Nickel-based alloy is discussed. The work aims to provide a description of the stress-strain field along grains and grain boundaries with finite element crystal plasticity simulations using an open source software, Warp3D. The results are then compared with those obtained with digital image correlation to evaluate the prediction of the numerical solutions. After a brief introduction to the work, a general overview of the literature on the two main topics of the thesis, analyses of micro-mechanical behavior and crack closure measurements, is provided. Focusing on work that aims to describe the overall behavior of the material and the local answer at the grain scale by means of crystal plasticity codes. Following, a study of the tensile mechanical behavior is discussed. Both single crystals at room temperature and a polycrystalline structure at high temperature are taken into account. In this section the crystal plasticity model parameters are identified on single crystal tests and are then applied to the polycrystalline case. The following step of the work focused on room temperature cyclic behavior aiming to describe a ratcheting test. The work then moved to the topic of fracture mechanics. The first step of this study is related to numerical simulations of fatigue crack growth in single crystal specimens, then the analyses moved on the emulation of crack’s effects inside polycrystalline media. The discussion of those sections concerns the irreversibility generated during the propagation of the crack: the results are compared with experiments in terms of crack opening level and extension of the plastic zone at the crack tip.

In questa tesi di dottorato è stato discusso il comportamento di una lega a base Nickel a livello dei grani cristallini. Questo lavoro ha l'obiettivo di descrivere i campi di sforzo e deformazione che si generano all'interno dei grani e a ridosso dei bordi grano sotto l'azione di carichi esterni. Le analisi sono state eseguite mediante simulazioni a elementi finiti che tengano conto della teoria della crystal plasticity; il software utilizzato è Warp3D. I risultati sono stati confrontati con prove sperimentali, analizzate mediante la digital image correlation, per valutare la capacità di predizione delle soluzioni numeriche. Dopo una breve introduzione al lavoro svolto, è presente un'analisi generale degli articoli presenti in letteratura riguardanti i due argomenti principali della tesi: studio del comportamento micro-strutturale e analisi della propagazione di cricche a fatica. In questa analisi l'attenzione è focalizzata su lavori che descrivono il comportamento dei materiali, a livello sia macroscopico che microscopico, mediante codici basati sulla crystal plasticity. Successivamente, viene presentato uno studio della risposta del materiale sottoposto a prove di trazione. Per queste analisi, sono stati utilizzati sia single crystal a temperatura ambiente sia polycrystal ad alta temperatura. Lo step successivo è stato lo studio del comportamento ciclico del materiale a temperatura ambiente. La seconda parte della tesi si bas invece sulla meccanica della frattura. Il primo passo è stato l'analisi della propagazione a fatica di una cricca all'interno di un provino single crystal, per poi spostarsi alla simulazione di polycrystal. In questa sezione lo studio è focalizzato sulle irreversibilità che si generano durante la propagazione delle cricche: i risultati delle simulazioni sono infine stati confrontati con quelli sperimentali in termini di livelli di apertura della cricca ed estensione del campo di deformazione all'apice di cricca.