Thèse
Auteur :
Kabiri Moulay Rachid

Date de soutenance :
19 décembre 2003

Directeur(s) de thèse :
Piques Roland
Laiarinandrasana Lucien



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Fissuration des aciers à haute température: effet de la géométrie sur la transférabilité des lois de propagation


Résumé : Cette étude, réalisée au Centre des Matériaux de l'Ecole des Mines de Paris, porte sur les problèmes d'identification et de transférabilité des lois de fissuration des aciers utilisés à haute température. Une approche globale, fondée sur les paramètres C* et J de la mécanique non linéaire de la rupture, a été utilisée pour caractériser l'amorçage et la propagation des fissures en fluage. Les nuances d'aciers étudiées sont: les aciers ferritiques 1Cr-1Mo-1/4V (chaud et froid, travaillant à 540°C et 250°C) utilisés dans les centrales thermiques et l'acier inoxydable austénitique 316 L(N) utilisé dans les centrales nucléaires. Au cours de cette thèse, une base de données a été mise en place, elle regroupe plusieurs essais de fatigue, de fluage, de fatigue-fluage, et de relaxation. Sa particularité est de contenir plusieurs essais de fluage (27 essais), réalisés à différentes températures (550°C à 650°C) et sur trois différentes géométries. La pertinence du paramètre C* pour décrire la fissuration en fluage est analysée par une étude systématique des singularités de contraintes en élasto-viscoplasticité sous plusieurs modes de chargement (différents taux de triaxialité). Il a été montré que, outre le paramètre C*, un deuxième terme non singulier, noté Q*, est nécessaire pour décrire les variables locales au voisinage de la pointe de fissure. Les valeurs de ce paramètre de confinement sont toujours négatives. La conséquence en est que les conditions d'application des lois classiques de fissuration corrélant la vitesse de fissuration et le paramètre C* (da/dt - C*), seront sécurisantes pour les applications industrielles.

A travers cette étude, on a également montré que pour les aciers ferritiques, la période d'incubation des fissures est importante, donc une corrélation de type Ti - C* a été retenue pour prédire le temps à l'amorçage. Pour l'acier inoxydable austénitique, la phase pertinente est celle de la propagation des fissures, ainsi une courbe maîtresse (da/dt - C*) a été établie pour cet acier. Pour cette identification une nouvelle méthodologie de dépouillement des essais de fluage a été mise en place. Enfin, la propagation des fissures a été simulée numériquement par la technique de relâchement des noeuds, permettant ainsi, de valider les expressions analytiques retenues pour dépouiller les essais de fluage.Introduction générale

Introduction générale

Chapitre I: Bibliographie

Introduction 5

I. Généralités sur le fluage 5

I.1. Définitions

I.2. Modèle de fluage

I.3. Mécanismes de fluage

II. Paramètre de la mécanique de la rupture 8

II.1. Le paramètre J (plasticité étendue)

II.2. Le paramètre C* (fluage secondaire étendu)

II.3. Le paramètre C*h (fluage primaire étendu)

II.4. Domaines d'utilisation des différents paramètres

III. Méthodes simplifiées d'évaluation de J et C* 13

III.1. La méthode EPRI

III.1.1. Calcul de J

III.1.2. Calcul de C*

III.2. La méthode R5

III.3. La méthode A16

III.4. La méthode EMP

III.5. Comparaison des méthodes simplifiées

IV. Amorçage et propagation des fissures en fluage 21

IV.1. L'amorçage des fissures en fluage

IV.2. La propagation des fissures en fluage

IV.3. Prépondérance de l'amorçage ou de la propagation

Conclusions 25

Références

Chapitre II: Base de données Cstar

Introduction 28

I. Géométries utilisées

II. L'acier ferritique à 1Cr-1Mo-1/4V

II.1. Matériau Froid

II.1.1. Paramètres des lois de comportement

II.1.2. Essais d'E.Molinié sur éprouvette CT

II.1.3. Caractéristiques des essais sur éprouvette CT

II.2. Matériau Chaud

II.2.1. Paramètres des lois de comportement

II.2.2. Caractéristiques des essais sur éprouvette CT

III. L'acier inoxydable austénitique 316 L(N) 33

III.1. Tôle SQ

III.1.1. Paramètres des lois de comportement

III.1.2. Caractéristiques des essais sur éprouvettes lisses

III.1.3. Essais des R.Piques sur CT et CCRB

III.1.4. Caractéristiques des essais sur éprouvette CCRB

III.1.5. Caractéristiques des essais sur éprouvette CT

III.1.6. Essais de E.Maas sur DENT

III.1.7. Caractéristiques des essais sur éprouvette DENT

III.2. Tôle SD 39

III.2.1. Paramètres des lois de comportement

III.2.2. Caractéristiques des essais sur éprouvettes CT

III.3. Tôle SA 40

III.3.1. Paramètres des lois de comportement

III.3.2. Essais de J.P.Polvora sur CT

III.3.3. Caractéristiques des essais sur éprouvette CT

III.4. Tôle VIRGO

III.4.1. Paramètres des lois de comportement

III.4.2. Caractéristiques des essais sur éprouvettes CT

Conclusions 43

Références

Annexe 2

Chapitre III: Singularités de contraintes en élasto-viscoplasticité

Introduction 50

I. Simulation du comportement du 316L(N) à 600°C

I.1. Formalisme du modèle à Deux Déformations Inélastiques

I.2. Identification de la loi de comportement

I.3. Comportement des éprouvettes fissurées

I.3.1. Eprouvette CT

I.3.1.1. Montée en charge

I.3.1.2. Fluage

I.3.2. Eprouvette CCRB

I.3.2.1. Montée en charge

I.3.2.2. Fluage

I.3.3. Eprouvette DENT

I.3.3.1. Montée en charge

I.3.3.2. Fluage

II. Etude des singularités élastoplastiques des contraintes

II.1. Elasticité linéaire: Approche K - T 58

II.1.1. Rappel

II.1.2. Détermination du paramètre ?

II.1.2.1. Calcul du paramètre ? à partir du lissage en contraintes

II.1.3.2. Calcul du paramètre ? à partir du lissage en différence de contraintes

II.2. Plasticité étendue

II.2.1. Approche J - Q: champs HRR

II.2.2. Détermination du paramètre Q

II.2.3. Etude des singularités de contraintes

II.2.3.1. Effet de la géométrie

II.2.3.2. Effet du chargement

II.2.3.3. Effet de la taille de fissure

II.2.3.3.1. Eprouvette CT

II.2.3.3.2. Eprouvette CCRB

II.2.3.3.3. Eprouvette CCP

II.2.3.3.4. Eprouvette DENT

Conclusions

II.3. Viscoplasticité 76

II.3.1. Singularités de contraintes - champs RR

II.3.2. Approche C(t) - A2 (t)

II.3.3. Approche C* - Q(t)

II.3.4. Singularités temporelles

II.3.5. Singularités spatiales

II.3.5.1. Eprouvette CCRB

II.3.5.2. Eprouvette CT

II.3.5.3. Eprouvette CCP

II.3.3.4. Eprouvette DENT

II.4. Synthèse 88

II.4.1. Etat de contraintes planes

II.4.2. Etat de déformations planes

II.5. Conséquences de cette étude sur les critères de rupture

II.5.1. Amorçage de fissure: la ténacité (JIc)

II.5.2. Extension à l'amorçage en fluage: Courbe Ti - C*, courbe ?d

II.5.3. Propagation de fissure: Courbe J - ?a

II.5.4. Extension à la propagation en fluage: Courbe da/dt - C*

Références 96

Annexe 3

Chapitre IV: Détermination des courbes maîtresses de fissuration en fluage

Introduction 110

I. Méthodologie de dépouillement des essais

I.1. Calcul de la vitesse de propagation

I.2. Calcul de la vitesse de l'ouverture de la fissure

I.3. Calcul de C*exp

I.3.1. Les éprouvettes CT

I.3.2. Les éprouvettes DENT

I.3.3. Les éprouvettes CCRB

I.3.4. Hypothèses de dépouillement

I.4. Domaine de validité

I.4.1. Limite inférieure

I.4.1. Limite supérieure

II. Etude de la fissuration en fluage 116

II.1. L'acier 1Cr-1Mo-1/4V (partie froide)

II.1.1. L'amorçage

II.1.2. Corrélation Ti - C*

II.1.3. La propagation

II.1.4. Corrélation da/dt - C*

II.2. L'acier 1Cr-1Mo-1/4V (partie chaude)

II.2.1. L'amorçage

II.2.2. Corrélation Ti - C*

II.2.3. La propagation

II.2.4. Corrélation da/dt - C*

II.3. L'acier 316L(N): tôle SQ

II.3.1. L'amorçage

II.3.2. La propagation

II.3.2.1. Eprouvettes CT

II.3.2.2. Eprouvettes DENT

II.3.2.3. Eprouvette CCRB

II.4. L'acier 316L(N): tôle SD

II.4.1. L'amorçage

II.4.2. La propagation

II.5. L'acier 316L(N): tôle VIRGO

II.5.1. L'amorçage

II.5.2. La propagation

II.6. L'acier 316L(N): tôle SA

II.6.1. L'amorçage

II.6.2. La propagation

II.6.3. Discussion

II.7. La courbe maîtresse du 316 L(N)

Conclusion

Références 130

Annexe 4

Chapitre V: Simulation de la propagation des fissures en fluage 141

Introduction

I. La procédure de relâchement de noeuds (exemple CCRB1)

I.1. Conditions expérimentales et maillage

I.2. Définitions des contours

I.3. Mise en données

I.4. Courbe d'avancée de la fissure

I.5. Résultats

I.5.1. Contraintes et déformées

I.5.2. Ouverture de la fissure

I.5.3. Calcul de C*

II. Simulation de la propagation des fissures en fluage

II.1. Eprouvette CCRB

II.1.1. Ouverture et vitesse d'ouverture de la fissure

II.1.2. Valeurs de C*

II.2. Eprouvette CT

II.2.1. Ouverture et vitesse d'ouverture de la fissure

II.2.2. Valeurs de C*

II.3. Eprouvette DENT

II.3.1. Ouverture et vitesse d'ouverture de la fissure

II.3.2. Valeurs de C*

III. Calcul de la partie comportement de la vitesse d'ouverture de la fissure

III.1. Procédure de calcul

III.2. Calcul de la vitesse d'ouverture de la fissure

IV. Corrélation da/dt - C*

V. Distribution des contraintes en cours de propagation

ConclusionsRéférences - 163

Conclusions Générales

Conclusions générales

Perspectives

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