Thèse
Auteur :
Tanguy Benoit

Date de soutenance :
01 juillet 2001

Directeur(s) de thèse :
Pineau André
Piques Roland



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Modélisation de l'essai charpy par l'approche locale de la rupture: application au cas de l'acier 16MND5 dans le domaine de transition


Résumé : Les aciers ferritiques présentent une transition du mode de rupture passant progressivement d'une rupture fragile (clivage) à une rupture ductile lorsque la température augmente. Le suivi du décalage de la température de transition des aciers de cuve par l'établissement de courbes de résilience, fait de l'essai Charpy une partie intégrante du programme de surveillance des centrales nucléaires françaises à eau sous pression. Malgré les avantages qui lui sont propres notamment son coût, l'essai Charpy ne permet pas d'obtenir directement une grandeur qui caractérise la résistance à la propagation d'un défaut de type de fissure, comme la ténacité, utilisée pour qualifier l'intégrité mécanique d'une structure.
Cette étude contribue à l'établissement du passage résilience-ténacité dans le domaine de transition de l'acier de cuve 16MND5 à partir d'une approche non-empirique basée sur l'approche locale de la rupture. La rupture fragile est décrite par le modèle Beremin (1983), qui permet de décrire la dispersion inhérente à ce mode de rupture. La description de la déchirure ductile est réalisée par le modèle GTN (1984) et le modèle Rousselier (1986). Ce dernier modèle a été modifié afin d'obtenir une description réaliste de l'endommagement ductile dans le cas de sollicitations rapides et d'échauffement locaux.
La méthode proposée pour déterminer les paramètres des modèles d'endommagement s'appuie uniquement sur des essais sur éprouvettes entaillées et les données inclusionnaires du matériau. Le comportement est décrit par une formulation originale paramétrée en température qui permet de décrire l'ensemble des essais réalisés dans cette étude. Avant d'appliquer cette méthodologie, une étude expérimentale du comportement et des modes de rupture de l'acier 16MND5 a été effectuée. A partir des essais de résilience en conditions quasi-statiques et dynamiques, il a été mis en évidence que cet acier ne présentait pas de décalage important de sa courbe de résilience dû à l'effet de vitesse. Dans le domaine de la transition, des échauffements locaux de l'ordre de 150°C ont été mesurés en fond d'entaille, ainsi que des déformations plastiques supérieures à 100 %.
Après une étude fractographique permettant l'identification de la nature des sites à l'origine du déclenchement du clivage, l'étude numérique montre, notamment, l'effet de l'échauffement adiabatique et de la prise en compte de la germination de cavités autour d'une seconde population de particules (carbures) sur la déchirure ductile. L'application de la méthodologie proposée permet de décrire les données de résilience jusqu'à des énergies moyennes de l'ordre de 70 J, englobant les indices TK28 et TK 68. Au delà, il faut introduire une faible dépendance apparente de la contrainte du clivage avec la température. D'autre part, l'évolution de la ténacité peut être décrite jusqu'à des valeurs moyennes de 170 MPa?m sans introduire de dépendance de la contrainte de clivage avec la température.I - Introduction - 13
II - Etude bibliographique - 17
II.1 - Bref historique - 19
II.2 - L'essai Charpy dans le programme de surveillance - 24
II.3 - Corrélations empiriques résilience - ténacité - 26
II.3.1 - Corrélations de Barsom et Rolfe - 26
II.3.2 - Corrélation de l'IRSID - 27
II.3.3 - Corrélation de Wallin - 27
II.4 - Expressions analytiques donnant l'état de contrainte en avant d'une entaille - 29
II.4.1 - Comportement élastique - 29
II.4.2 - Comportement plastique - 29
II.5 - Mécanismes de la rupture ductile - 32
II.5.1 - La germination
II.5.2 - La croissance - 33
II.5.3 - La coalescence - 34
II.6 - Modèles décrivant l'endommagement ductile - 35
II.6.1 - Modèles non-couplés - 35
II.6.2 - Modèles couplés - 36
II.6.3 - En résumé - 45
II.7 - Mécanismes du clivage intragranulaire - 47
II.7.1 - Déclenchement du clivage - 47
II.7.2 - Entité microstructurale contrôlant le clivage - 48
II.8 - Modèles décrivant le clivage intragranulaire - 49
II.8.1 - Défaut de type Griffith - 49
II.8.2 - Modèle de Stroch - 50
II.8.3 - Modèle de Smith - 51
II.8.4 - Modèle RKR - 52
II.8.5 - Modèles statistiques - 53
II.8.6 - En résumé - 59
II.9 - Description de la transition ductile - fragile - 60
II.9.1 - Mécanismes - 60
II.9.2 - Modèles - 61
II.10 - En résumé - 63
Bibliographie - 66
III - Matériau de l'étude - 77
III.1 - Présentation du matériau - 79
III.1.1 - Origine - 79
III.1.2 - Composition chimique - 79
III.1.3 - Traitements thermiques - 80
III.1.4 - Microstructure - 81
III.1.5 - Caractéristiques mécaniques de base - 83
III.2 - Etude des inclusions - 86
III.2.1 - Nature des inclusions - 86
III.2.2 - Analyse inclusionnaire - 88
III.3 - Conclusion - 97
Bibliographie - 97
IV - Etude expérimentale
IV.1 - Principe de l'essai de flexion par choc Charpy - 101
IV.1.1 - Essai classique - 101
IV.1.2 - Essai instrumenté - 103
IV.1.3 - Principe des essais interrompus - 111
IV.2 - Résultats expérimentaux - 111
IV.2.1 - Procédure expérimentale - 111
IV.2.2 - Analyse des essais - 112
IV.3 - Effet de la vitesse de sollicitation - 115
IV.3.1 - Dispositif expérimental - 115
IV.3.2 - Résultats expérimentaux - 115
IV.4 - Etude de l'élévation locale de température en fond d'entaille - 124
IV.4.1 - Procédure expérimentale - 124
IV.4.2 - Résultats - 126
IV.5 - Etude expérimentale de la déformation plastique en fond d'entaille - 130
IV.5.1 - Méthode proposée - 130
IV.5.2 - Résultats - 130
IV.6 - Application des relations empiriques résilience - ténacité - 135
IV.7 - Discussion et Conclusions - 137
Bibliographie - 139
V - Comportement - Rupture - 141
V.1 - Comportement - 143
V.1.1 - Comportement en traction quasi-statique - 143
V.1.2 - Comportement en compression quasi-statique - 145
V.1.3 - Comportement à vitesses rapides - 146
V.1.4 - Analyse des résultats - 146
V.2 - Comportement à rupture - 151
V.2.1 - Procédure expérimentale - 151
V.2.2 - Définitions - 152
V.2.3 - Résultats des essais menés à rupture - 153
V.2.4 - Résultats des essais en contrôle de déformation - 154
V.3 - Conclusions - 164
Bibliographie - 164
VI - Etude des mécanismes de rupture - 167
VI.1 - Etude de la déchirure ductile sur éprouvette de résilience - 169
VI.1.1 - Procédure expérimentale - 169
VI.1.2 - Résultats - 170
VI.2 - Déclenchement du clivage -180
VI.2.1 - Entité microstructurale contrôlant le clivage de basses températures - 180
VI.2.2 - Nature des sites déclenchant le clivage dans les transitions ductile - fragile - 187
VI.2.3 - Discussion - 204
VI.3 - Conclusions - 212
Bibliographie - 214
VII - Modèles de comportement et d'endommagement - 217
VII.1 - Modélisation du comportement - 219
VII.1.1 - Comportement élastoplastique - 219
VII.1.2 - Comportement élastoviscoplastique - 230
VII.2 - Modélisation de l'endommagement ductile - 236
VII.2.1 - Formalisme - 236
VII.2.2 - Etude paramétrique - 236
VII.2.3 - Démarche de l'identification - 243
VII.2.4 - Résultats - 244
VII.2.5 - Effet de la vitesse de sollicitation - 245
VII.2.6 - Conclusions - 250
VII.3 - Modélisation du clivage - 253
VII.3.1 - Rappel du modèle de Beremin - 253
VII.3.2 - Identification des paramètres du modèle de Beremin - 254
VII.4 - En résumé - 274
Bibliographie - 276
VIII - Modélisation de l'essai de Charpy - 281
VIII.1 - Précisions préliminaires - 283
VIII.1.1 - conditions limites - 283
VIII.1.2 - Maillages utilisés - 283
VIII.1.3 - Définition de l'avancée de déchirure ductile - 284
VIII.1.4 - Echauffement adiabatique - 285
VIII.2 - Validité des champs de contraintes analytiques - 288
VIII.3 - Etude de l'essai de Charpy par la simulation numérique - 291
VIII.3.1 - Compromis taille de maille - description des champs locaux - 291
VIII.3.2 - Effets inertiels - 296
VIII.3.3 - Analyse bi - ou tridimensionnelle - 297
VIII.3.4 - Amorçage et propagation de la déchirure ductile - 307
VIII.3.5 - Effet de la température - 313
VIII.3.6 - Sollicitation quasi-statique versus dynamique: Analyse des champs locaux - 325
VIII.3.7 - Pris en compte de la germination - 337
VIII.4 - Validation expérimentale de la simulation de la déchirure ductile et confrontation des modèles - 345
VIII.5 - Application des modèles de rupture à la prévision de la courbe de résilience - 351
VIII.5.1 - Méthodologie - 351
VIII.5.2 - Définition de la contrainte effective dans le modèle de Beremin - 351
VIII.5.3 - Résultats - 352
VIII.5.4 - Discussion - 358
VIII.6 - Premiers pas vers un passage résilience-ténacité - 369
VIII.6.1 - Modélisation de l'essai de ténacité - 369
VIII.6.2 - Résultats - 369
VIII.6.3 - Discussion - 370
VIII.7 - Conclusions - 373
Bibliographie - 375
IX - Conclusions et Perspectives - 381
A.I - Méthodes expérimentales de l'essai de résilience et résultats d'essais - 389
A.I.1 - Essais de Résilience - 389
A.I.1.1 - Définitions préliminaires - 389
A.I.1.2 - Prélèvements des éprouvettes - 390
A.I.1.3 - Détermination de la complaisance du montage de flexion 3 points - 390
A.I.1.4 - Reproductibilité - 392
A.I.1.5 - Essais Charpy dynamique - 404
A.I.1.6 - Essais interrompus - 408
A.I.1.7 - Essais de flexion 3 points à vitesses lente et intermédiaire - 409
A.I.2 - Mesure de l'avancée ductile - 411
A.I.3 - Position et Nature des sites d'amorçage du clivage - 416
A.I.4 - Mesure de l'élévation locale de température en fond d'entaille - 419
A.I.5 - Détermination expérimentale de la déformation plastique en fonction de la taille de grains - 422
A.I.5.1 - Mesure de taille des grains - 422
A.I.5.2 - Résultats - 423
Bibliographie - 427
A.II - Etude expérimentale de l'acier 16MND5 - 429
A.II.1 - Essais de traction - 429
A.II.1.1 - Procédure expérimentale -429
A.II.1.2 - Dépouillement des essais et résultats - 430
A.II.1.3 - Analyse de Bridgman sur les essais de traction interrompus - 431
A.II.2 - Essais de compression - 435
A.II.2.1 - Essais statiques - 435
A.II.2.2 - Essais dynamiques - 435
A.II.3 - Essais sur éprouvettes axisymétriques entaillées - 439
A.II.3.1 - Essais à rupture - 439
A.II.3.2 - Essais en contrôle de déformation - 447
A.II.4 - Essais sur éprouvettes fissurées - 451
A.II.4.1 - Procédure expérimentale - 451
A.II.4.2 - Dépouillement des essais - 451
A.II.4.3 - Résultats des essais sur éprouvettes CT - 453
Bibliographie - 460
A.III - Description de la germination - 461
A.III.1 - Prise en compte de la germination dans les modèles d'endommagement couplés - 461
A.III.2 - Etude expérimentale - 463
A.III.3 - Modélisation - 475
A.III.4 - Discussion et conclusion - 477
Bibliographie - 481
A.IV - Extension du modèle de Rousselier - 483

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