Étude de la compétition déchirure ductile / rupture ...
Transcript of Étude de la compétition déchirure ductile / rupture ...
22 Septembre 2006 1Thèse Vincent Le Corre
Étude de la compétition déchirure ductile / rupture fragile : Application à la tenue mécanique des tubes en
acier C-Mn et de leurs joints soudés
Vincent Le Corre
22 Septembre 2006 – CEA-Saclay
Laboratoire de Mécanique de Lille – École Centrale de Lille
Laboratoire d’Intégrité des Structures et de Normalisation – CEA Saclay
22 Septembre 2006 2Thèse Vincent Le Corre
Problématique générale : l’Intégrité des Structures
Démontrer l’Intégrité d’une Structure
Prouver sa capacité à remplir ses fonctions mécaniques :
• pour tous les modes de chargement,
• tout au long de sa durée de fonctionnement
Dans le contexte de la sûreté nucléaire :
• rupture d’un composant proscrite
• fonction de confinement primordiale
Prise en compte de la présence de fissures :
• soit dès la démonstration de sûreté
• soit après une détection de défauts
22 Septembre 2006 3Thèse Vincent Le Corre
Problématique générale : le circuit secondaire
Évaluation de l’intégrité du circuit secondaire des réacteurs à eau pressurisée
Schéma d’un réacteur REP
Tubes minces, en acier ferritique Carbone-Manganèse
Pas d’irradiation
Présence de joints soudés circonférentiels, non arasés et non-détensionnés Circuit Primaire
Circuit Secondaire
Circuit Tertiaire
22 Septembre 2006 4Thèse Vincent Le Corre
Problématique générale : le circuit secondaire
Évaluation de l’intégrité du circuit secondaire des réacteurs à eau pressurisée
Schéma d’un réacteur REP
Tubes minces, en acier ferritique Carbone-Manganèse
Pas d’irradiation
Présence de joints soudés circonférentiels, non arasés et non-détensionnés Circuit Primaire
Circuit Secondaire
Circuit Tertiaire
22 Septembre 2006 5Thèse Vincent Le Corre
Problématique générale : le circuit secondaire
Température minimale de fonctionnement
Chargements de flexion
• En fonctionnement : vibrations et dilatations d’ensemble => fissures de fatigue
• Conditions accidentelles (séismes, etc) : Hautes énergies
Température
Plage de fonctionnement normale
Plage de fonctionnement accidentelle
Énergie
TMIN
22 Septembre 2006 6Thèse Vincent Le Corre
Problématique générale : le domaine de transition
Variation de l’énergie de rupture du matériau : Domaine de transition Fragile/Ductile
Température
Plage de fonctionnement normale
Plage de fonctionnement accidentelle
Rupture ductileÉnergie de rupture
Rupture fragile
instable
TMIN
22 Septembre 2006 7Thèse Vincent Le Corre
Problématique générale : le domaine de transition
Variation de l’énergie de rupture du matériau : Domaine de transition Fragile/Ductile
Température
Plage de fonctionnement normale
Plage de fonctionnement accidentelle
Rupture ductileÉnergie de rupture
Rupture fragile
instable Marge
TMIN
22 Septembre 2006 8Thèse Vincent Le Corre
Problématique générale : le domaine de transition
Variation de l’énergie de rupture du matériau : Domaine de transition Fragile/Ductile
⇒ Fragilisation par vieillissement du matériau (ZAT)
Température
Plage de fonctionnement normale
Plage de fonctionnement accidentelle
Rupture ductileÉnergie de rupture
Rupture fragile
instable
TMIN
22 Septembre 2006 9Thèse Vincent Le Corre
Problématique générale : le domaine de transition
Variation de l’énergie de rupture du matériau : Domaine de transition Fragile/Ductile
⇒ Fragilisation par vieillissement du matériau (ZAT)
⇒ Décalage en température dépendant de la géométrie de la structure
(effet du confinement de la plasticité)
Température
Énergie de rupture
Plage de fonctionnement normale
Plage de fonctionnement accidentelle
Rupture fragile
instable
Rupture ductile
Marge ?
TMIN
22 Septembre 2006 10Thèse Vincent Le Corre
Difficultés actuellesLa compréhension de la compétition rupture fragile / déchirure ductile dans la
partie supérieure du domaine de transition
Très forte dispersion expérimentale
Mode de rupture mixte ductile et fragile
La transférabilité des critères de rupture de l’éprouvette à la structure
Nécessité de connaître les paramètres intrinsèques au matériau
Difficulté d’application des modèles sur les structures complexes
La caractérisation des joints soudés ( Comportement et Rupture )
Microstructure et géométrie complexes
⇒ Prélèvement difficiles
⇒ Éprouvettes de faible épaisseur non-normalisées
⇒ Nombre d’essais nécessairement réduit
Présence de contraintes résiduelles
Influence du vieillissement statique
22 Septembre 2006 11Thèse Vincent Le Corre
Objectifs
Proposer une approche permettant de déterminer la température dedisparition du clivage sur une structure soudée
Préciser la dépendance à la géométrie du domaine de transition dans le cas d’une structure
Établir une condition nécessaire à l’apparition de la rupture fragile par clivage
Définir une méthode de caractérisation du comportement à rupturedes joints soudés de la structure
22 Septembre 2006 12Thèse Vincent Le Corre
Démarche adoptée / Plan de l’exposé
I – Développement d’un critère de rupture fragile en contrainte seuil
Définition d’une contrainte seuil
Analyse des essais sur éprouvettes fissurées
Expression simplifiée de la probabilité de rupture
II – Transférabilité du critère en contrainte seuil
Influence de la géométrie sur la zone de transition
Identification des paramètres du critère
III – Développement d’un essai de rupture sur composant
Préparation / Déroulement / Interprétation
Validation de la condition de contrainte seuil
IV – Méthode de caractérisation des Joints Soudés
Mise en place de méthodes expérimentales et numériques
22 Septembre 2006 13Thèse Vincent Le Corre
I – Développement d’un critère de rupture fragile en contrainte seuil
22 Septembre 2006 14Thèse Vincent Le Corre
I – Développement d’un critère en contrainte seuil
Objectif : Obtenir un critère autorisant une probabilité de rupture nulle
⇒ Nécessité d’utiliser une contrainte seuil
Assurer l’applicabilité aux structures et aux joints soudés
⇒ Identification à partir d’essais non-normalisés et peu nombreux
Démarche : S’appuyer sur les développements de l’approche locale (Beremin)
Simplifier l’expression de la probabilité de rupture
Outil : la base de donnée du projet européen piloté par l’ESIS « Euro Fracture Toughness Dataset » sur l’acier ferritique 22NiMoCr37 [Heerens - 02] :
TempératureNb d’essais par T° et Géométrie -150°C -110°C -90°C -60°C -40°C -20°C 0°C 20°C
Géom
étrie
Traction 4 5 4 5 5 4 4
AE1.6 32
CT12.5 31 55 31 62 32 31 32
CT25 34 34 34 32 50 41 10
CT50 30 30 30 30 30 30 30
CT100 15 15 15 15
Grille d’essais de la base ESIS
22 Septembre 2006 15Thèse Vincent Le Corre
I.1 – Définition d’une contrainte seuil
Rupture de 32 éprouvettes AE par clivage à –150°C.
Calcul de la contrainte principale maximale à rupture par une modélisation Éléments Finis.
Z : Axe de symétrie
Déplacement imposé
Plan de symétrie
σ11(MPa)
0
900
1800 0
10
20
30
40
50
60
70
0% 5% 10% 15%∆D / D0
Forc
e ( k
N )
.Calcul Elasto-PlastiqueEssais à -150°C
22 Septembre 2006 16Thèse Vincent Le Corre
I.1 – Définition d’une contrainte seuil
Calcul de la probabilité expérimentale :
i = rang de σ11_i
PRi = (i - 0.5) / N
Ajustement d’une distribution de Weibull avec un seuil
avec σth = 1520 MPa
σu_AE = 170 MPa
mAE = 2.2
σth est proche de la plus basse contrainte à rupture : MIN (σ11_MAX)= 1550 MPa
AEm
AE_u
thR expP
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
σσ−σ
−= 111
Contrainte seuil
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1500 1600 1700 1800 1900Contrainte principale maximale (MPa)
Prob
abili
té d
e ru
ptur
e .
ValeursexpérimentalesDistribution deWeibull
22 Septembre 2006 17Thèse Vincent Le Corre
I.2 – Définition d’un volume seuil
Soit V un volume composé de N volumes élémentaires V0.
Hypothèse du maillon le plus faible : ……………………..….
Hypothèse sur pri : Constante sur Vth= V (σ11>σth) ………..... (Hypothèse de la contrainte seuil)
La probabilité de rupture du volume V est réduite à celle du volume Vth ………....…………………………………………....
Relation linéaire entre le logarithme de la probabilité de rupture et le volume seuil Vth ………….……………………….
)p(PV
VN
iriR ∏
=
=
−=−0
1
11
onsinpsipp
ri
thri
0110
=σ>σ=
thR
thRR
VV
R
V.F'P
V.p
LnV
)P(Ln'P
)p(Pth
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=−−=
−=−
00
0
1111
11 0
V
V0
22 Septembre 2006 18Thèse Vincent Le Corre
I.2 – Hypothèse sur pri
Hypothèse sur pri
σ11
σth
Vth ; rth
Fissure r
pri, p0
∫ σ=
thVri
thdV).(p.
Vp 110
1
r
r
σ11
σth
J.r Yσ
⇒ Avant l’amorçage ductile :
Yσσ11
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ σ
=σσ
J.rf Y
Y
11
[MacMeeking - 95]
Y
thσσ
⇒ Après l’amorçage ductile :
• p0 dépendant de la Température
• p0 dépendant du Confinement
∆a
• p0 indépendant du chargement
Spatialement Temporellement
22 Septembre 2006 19Thèse Vincent Le Corre
I.2 – Analyse des essais sur éprouvettes CT
0.01
0.1
1
10
100
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30Température (°C)
Ava
ncée
duc
tile
(mm
)
.CT12.5 Fragiles CT12.5 DuctilesCT25 Fragiles CT25 DuctilesCT50 Fragiles CT50 DuctilesCT100 Fragiles CT100 Ductiles
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 5 10 15 20∆a (mm)
J0 (
kJ/
m²)
CT12.5CT25CT50CT100
J = 812.∆a0.713( )00 aWB
UJ−⋅
⋅η=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⋅+=η
Wa. 0152202
Températures de –60°C à 20°C
22 Septembre 2006 20Thèse Vincent Le Corre
I.2 – Analyse des essais sur éprouvettes CT
Initial Front Growing crack Initial Front
Modélisation par Éléments Finis nécessaire au calcul de Vth
Modèle élasto-plastique isotrope
La déchirure est simulée par des relâchements de nœuds contrôlés par la courbe expérimentale J-∆a.
Taille de maille en pointe de fissure : 250µm
36000 Nœuds / 8000 Éléments (quadratiques)
-90°C -60°C -40°C -20°C 0°C 20°C
31
34
30
15
CT12.5 62 32 31 32
CT25 34 32 50 41 10
CT50 30 30 30 30 30
CT100 15 15 15
22 Septembre 2006 21Thèse Vincent Le Corre
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0.000 5.000 10.000 15.000Ouverture en mm
Forc
e en
kN
Calcul CT50 à 0°C Essai N° SX17.2.4Calcul CT100 à 0°C Essai N° SX24.6
CMOD (mm)
Test
Test
0
10
20
30
40
50
60
70
0.000 5.000 10.000 15.000Ouverture en mm
Forc
e en
kN
Calcul CT12,5 à 0°C Essai N° SX16.3.25Calcul CT25 à 0°C Essai N° SX18.4.12
CMOD (mm)
Test
Test
Contrainte principale en avant de la pointe de fissure initiale
en cours de déchirure ductile sur une éprouvette CT50 à 20°C
I.2 – Analyse des essais sur éprouvettes CT
Comportements globaux des 4 géométries.
0200400600800
100012001400160018002000
0.00 5.00 10.00 15.00
Distance au front de fissure initial (mm)
σ11
(MPa
)
22 Septembre 2006 22Thèse Vincent Le Corre
I.2 – Analyse des essais sur éprouvettes CTÉvaluation de Vth : à la rupture pour les éprouvettes ductiles / fragiles
à la fin de l’essai pour les éprouvettes ductiles
Classement des éprouvettes à Vth croissant pour chaque série (Géométrie ; Température)
Probabilité de rupture expérimentale de chaque éprouvette :
ii N
.iPr 50−=
avec i = rang de l’éprouvette
Ni = N - nombre d’éprouvettes ductiles avec un Vth final inférieur au Vth de l’éprouvette de rang i.
Confirmation de la relation linéaire entre PR’ et Vth
y = 0.18x - 0.30
00.5
11.5
22.5
33.5
4
0 5 10 15 20 25Vth ( mm3 )
Pr'
CT12.5 à -60°C
y = 0.026x + 0.069
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 50 100Vth ( mm3 )
Pr'
CT12.5 à -40°C
y = 0.0044x + 0.0199
0
0.050.1
0.15
0.2
0.250.3
0.35
0.4
0 20 40 60 80 100Vth ( mm3 )
Pr'
CT12.5 à -20°C
Pr’(Vth) pour les éprouvettes CT12.5 de –60°C à –20°C
22 Septembre 2006 23Thèse Vincent Le Corre
I.2 – Analyse des essais sur éprouvettes CT
F semble indépendant de la taille des CT.
⇒ A 0°C, les 4 géométries peuvent être réunies dans une même série.
Vth est un paramètre pertinent vis-à-vis de la probabilité de rupture.
Temperature = 0°C
00.5
11.5
22.5
33.5
44.5
5
0 1000 2000 3000 4000Vth ( mm3 )
Pr'
CT12.5CT25CT50CT100
0
0.10.2
0.30.4
0.5
0.60.7
0.8
0 200 400 600Vth ( mm3 )
Pr'
Pr’(Vth) pour toutes les éprouvettes à 0°C
-100 -50 0 50Température (°C)
F
0.0001
0.001
0.01
0.1
1F évolue fortement avec la temperature.
22 Septembre 2006 24Thèse Vincent Le Corre
I.3 – Expression de la fonction de sensibilité F
-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10
1 2 3 4 5
Ln
F .
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
460 480 500 520 540 560σy (MPa)
F
CT12.5CT25CT50CT100
Ln(σY-σY0)
avec :
σY0 = 468 MPa = σY(T=20°C)
σu_CT.V01/m = 156 MPa.mm3/m
mCT=2.3
CTm
CT_u
YYY V
)(F ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
σσ−σ
⋅=σ 0
0
1
Pente : mCT=2.3
( )00
11 pLnV
F −⋅−=
Par analogie, l’expression suivante est proposée :
mCT= mAE ~2.3
( )AEm
AE_u
thRPLn ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
σσ−σ
=−− 111
Selon les essais sur éprouvettes AE :
D’après l’hypothèse sur p0 :
22 Septembre 2006 25Thèse Vincent Le Corre
I.3 – Expression du volume seuil Vth
T = 0°C
0200400600800
1000120014001600
0.00 1.00 2.00 3.00∆a (mm)
Vth
(m
m3 )
CT12.5CT25CT50CT100
Données numériques
Vth est proportionnel à ∆a
22 Septembre 2006 26Thèse Vincent Le Corre
I.3 – Expression du volume seuil Vth
T = 0°C
0200400600800
1000120014001600
0.00 1.00 2.00 3.00∆a (mm)
Vth
(m
m3 )
CT12.5CT25CT50CT100
Données numériques
Vth est proportionnel à ∆a
Vth est proportionnel à B²
T = 0°C
y = 1.9x - 1.4
33.5
44.5
55.5
66.5
77.5
2 3 4 5Ln (B)
Ln(
V th/ ∆
a)
22 Septembre 2006 27Thèse Vincent Le Corre
I.3 – Expression du volume seuil Vth
T = 0°C
0200400600800
1000120014001600
0.00 1.00 2.00 3.00∆a (mm)
Vth
(m
m3 )
CT12.5CT25CT50CT100
Données numériques
Vth est proportionnel à ∆a
Vth est proportionnel à B²
Vth évolue linéairement avec la limite d’élasticité σY
y = 0.0030x - 1.2673
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
460 470 480 490 500 510 520σY en MPa .
Vth
/ B
². ∆a
CT12.5CT50
T = 0°C
y = 1.9x - 1.4
33.5
44.5
55.5
66.5
77.5
2 3 4 5Ln (B)
Ln(
V th/ ∆
a)
22 Septembre 2006 28Thèse Vincent Le Corre
I – Énoncé du critère
[ ]thVFexpPr ⋅−−= 1m
CT_u
YYV
F ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
σσ−σ
⋅= 0
0
1
avec
et
a.B.V Yth ∆σ∝ 2
La probabilité de rupture fragile d’une éprouvette fissurée sollicitée dans la partie supérieure du domaine de transition fragile/ductile est donnée par :
0.01
0.1
1
10
100
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10
Temperature ( °C )∆
a (m
m)
CT25 FragilesCT25 DuctilesPr=5%Pr=50%Pr=95%
Vth est le paramètre de chargement, il inclut :
• L’effet d’échelle (B²)
• L’influence de l’avancée de fissure ductile.
F inclut :
• Les propriétés « matériau »
• L’effet de confinement
CT25 de –60°C à 0°C
L’effet de la température est présent à la fois dans Vth et dans F (via σY )
22 Septembre 2006 29Thèse Vincent Le Corre
II – Transférabilité du critère en contrainte seuil,Identification sur le matériau TU42 C
22 Septembre 2006 30Thèse Vincent Le Corre
II.1 – Présentation du matériau
Tube en acier C-Mn « TU42 C » de diamètre ext. 219.1 mm, Épaisseur 16 mm
Élément C Si Mn P S Cu Sn Fe
% massique 0.19 0.19 0.77 0.013 0.006 0.02 0.003 Balance
T S
L
L : Direction axialeS : Direction radialeT : Direction ortho-radiale
0
50
100
150
200
250
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Température (°C)
Kcv
(J/c
m²)
Essais LISNDonnées Fournisseur
T (8.5daJ/cm² ) = -30°C
Taux de cristalinitéde 50%
L
S
22 Septembre 2006 31Thèse Vincent Le Corre
II.2 – Détermination de la contrainte seuil du TU42 C
15 Essais sont réalisés sur éprouvettes AE2 à –175°C
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0%
Déformation moyenne à rupture (% )
Con
trai
nte
à ru
ptur
e (M
Pa)
Contrainte moyenne
Contrainte principale max.
MIN (σ11_MAX) = 1340 MPa
0.0
0.1
0.20.3
0.4
0.5
0.6
0.70.8
0.9
1.0
1200 1300 1400 1500 1600
Contrainte principale Maximale (MPa )
Prob
abili
té d
e ru
ptur
e
Points expérimentaux : AE2 à -175°C Distribution de Weibull
Les contraintes principales maximales à rupture sont évaluées via une modélisation par EF.
Une distribution de Weibull à 3 paramètres des contraintes à rupture est difficile à identifier.
La contrainte seuil est obtenue à partir des plus basses contraintes à rupture.
⇒ σth = 1300 MPa
⇒ m = 3.0
22 Septembre 2006 32Thèse Vincent Le Corre
II.3 – Domaine de Transition sur éprouvettes CT et SENB
T
L T
L
0
2
4
6
8
10
12
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
Température (°C)
Ava
ncée
de
fissu
re d
uctil
e (m
m)
CT a/W=0.55 Ductile
CT a/W=0.55 Fragile
SENB a/W=0.5 Ductile
SENB a/W=0.5 Fragile
SENB a/W=0.1 Ductile
SENB a/W=0.1 Fragile
22 Septembre 2006 33Thèse Vincent Le Corre
II.3 – Domaine de Transition sur éprouvettes CT et SENB
Faciès de rupture observés au MEB
Faciès ductile à cupules
Faciès fragile
Remontée des rivières de clivage jusqu’au site d’amorçage
Front d’avancée ductile
35 µm Grossissement x1702 mm
Aucune particule détectée aux alentours du site d’amorçage du clivage
Mécanisme d’amorçage vraisemblablement induit par la déformation plastique
22 Septembre 2006 34Thèse Vincent Le Corre
II.4 – Identification des paramètres du critère
Hypothèse : σY0 traduit l’influence de la géométrie dans F
σY0 est la limite d’élasticité à la température de disparition du clivage (F=0)
y = 1.00xR2 = 0.98
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5F . Vth
- Ln
( 1 -
Pr)
CT12SENB01SENB05Ajustement proportionnel
ii N
.iPr 50−=
Classement des éprouvettes par ordre de « F.Vth » croissant
Probabilité de ruptureexpérimentale itérative
Le paramètre σu.V01/m est identifié :
σuV01/m = 58,7 MPa mm3/m
Calcul des Vth par EF
m
CT_u
YYV
F ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
σσ−σ
⋅= 0
0
1( ) thR VFPLn ⋅=−− 1
22 Septembre 2006 35Thèse Vincent Le Corre
II– Transférabilité du critère en contrainte seuil
σY0 quantifie l’influence du confinement.
Difficulté d’identification :
expérimentalement : température de disparition du clivage
numériquement α
σ=σ
σ
σ=α th
YY
MAX_ ; 011
Forte sensibilité de F à σY0 : difficulté supplémentaire / cohérent avec les essais …
Vth : paramètre de chargement
Identification de σth à partir d’essais à très basse température sur éprouvettes AE
Extrapolation de la distribution expérimentale à une probabilité nulle
σth dépassée sans apparition du clivage
σ11_MAX > σth Condition nécessaire / non-suffisante
Influence de la plasticité et/ou de la triaxialité sur σth
22 Septembre 2006 36Thèse Vincent Le Corre
II– Transférabilité du critère en contrainte seuil
σY0 quantifie l’influence du confinement.
Difficulté d’identification :
expérimentalement : température de disparition du clivage
numériquement α
σ=σ
σ
σ=α th
YY
MAX_ ; 011
Forte sensibilité de F à σY0 : difficulté supplémentaire / cohérent avec les essais …
Vth : paramètre de chargement
Identification de σth à partir d’essais à très basse température sur éprouvettes AE
Extrapolation de la distribution expérimentale à une probabilité nulle
σth dépassée sans apparition du clivage
σ11_MAX > σth Condition nécessaire / non-suffisante
Influence de la plasticité et/ou de la triaxialité sur σth
22 Septembre 2006 37Thèse Vincent Le Corre
III – Développement d’un Essai de Rupture
sur Composant
22 Septembre 2006 38Thèse Vincent Le Corre
III.1 – Dimensionnement de l’essai sur composant
Géométrie et chargement :
Tube mince ;
contenant une fissure semi-elliptique, circonférentielle,peu profonde, débouchant en peau externe ;
sous chargement de flexion pure, obtenu entre les appuis d’un montage de flexion 4-points.
t = 11 mm
2c0 = 35 mma0 = 4.5 mm
rm = 100 mm
1 m Éprouvette ( Moment M, Rotation θ )
VérinMesure du Déplacement DV
et de la Force FBras de charge(rigides)
Traverse
Épaisseur du tube et taille du défaut choisies de manière à :
respecter les capacités du banc de flexion
amorcer la déchirure ductile avant la ruine par plasticité généralisée du tube
ne pas dépasser σth avant l’amorçage ductile
22 Septembre 2006 39Thèse Vincent Le Corre
III.2 – Instrumentation et RefroidissementF1 F2
J3 et J4
F3
J2
F4
O3
O1
O2
Z
XJ1
R1 R2
Pré-fissuration par fatigue
Instrumentation : 22 capteurs
Technique de refroidissement
Azote pulvérisé
Electro vanne
Thermo-couple de régulation Contrôle
Com
man
de
Enregistrement
Couche d’isolation
17 Thermo-couples
DDP2
DDP1
DDP3
Clip 4
Clip 1Clip 2
Clip 3
F : Flèches
R : Rotations
O : Ovalisations
J : Jauges de déformation
DDP :Différence de Potentiel
Autour de la fissure
22 Septembre 2006 40Thèse Vincent Le Corre
III.3 – Déroulement de l’essai
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 50 100 150
Déplacement Vérin (mm)
Forc
e (k
N)
Température : -50°C autour de la fissure
Séquences de décharges partielles pour la mesure de la complaisance élastique
Rupture fragile après large plastification
22 Septembre 2006 41Thèse Vincent Le Corre
III.4 – Dépouillement de l’essai : Faciès de rupture
3 – Rupture fragile
2 – Déchirure ductile (avec striction)
1 – Fissure de fatigue
10 mm
Fissure de fatigue conforme aux prédictions(a0; 2.c0) = (4.50 ; 35.25)
Déchirure ductile symétrique, de forme elliptique, sans propagation de surface
Striction importante
Rupture fragile après percement
Trajectoire symétrique de la fissure fragile
Déchirure ductile beaucoup plus importante que sur les éprouvettes à cette température
[ 1 mm de déchirure ductile avant rupture fragile sur SENB (a/W = 0.1) à –50°C ]
22 Septembre 2006 42Thèse Vincent Le Corre
III.5 – Évolution des contraintesModélisation de l’essai
⇒ Vth s’est largement étendu au moment du percement
0 750 1500σ11
σth
z
Oy x
Symétrie plane(Plan xOz)
Symétrie plane(Plan yOz)
B
A
Déplacement relatif imposé sur les points A et B parallèlement à l’axe Ox
Éléments rigides
Fissure initiale z
y
Matériau isotrope
5700 Éléments, 26400 Nœuds
Taille de maille en pointe de fissure : 100x100x600 µm3
Avant et après percement
22 Septembre 2006 43Thèse Vincent Le Corre
III – Développement d’un Essai de Rupture sur Composant
Essai démonstratif :
Décalage du domaine de transition fragile/ductile par rapport aux éprouvettes de laboratoire :
À –50°C :
1 mm de déchirure sur une éprouvette SENB (a/W=0.1)
6.5 mm de déchirure sur le tube
Absence du risque de rupture fragile à –50°C avant l’amorçage ductile
0
2
4
6
8
10
12
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
Température (°C)
Ava
ncée
de
fissu
re d
uctil
e (m
m)
Effet du confinement
Essai de validation du critère :
La condition de contrainte seuil permet d’estimer de manière simple une température de disparition du clivage
Le décalage de la transition est dû au faible confinement de plasticité rencontré dans le cas des structures minces
La modification importante de Vth est à l’origine de la rupture fragile après percement
22 Septembre 2006 44Thèse Vincent Le Corre
IV – Méthode de caractérisation
des Joints Soudés
22 Septembre 2006 45Thèse Vincent Le Corre
IV – Méthode de caractérisation des Joints Soudés
∅ 211 mm
16 mmObjectif : Caractériser le joint soudé de la structure.
Il s’agit d’un joint circonférentiel en V, en 10 passes :
Géométrie complexe,
Présence de contraintes résiduelles,
Influence du vieillissement statique,
Hétérogénéité microstructurale, …
Caractérisations réalisées sur la ZAT :
Identifications des microstructures
Cartographie de micro-dureté
Comportement en traction simple
Résistance à la déchirure ductile
Rupture dans la partie supérieure du domaine de transition Fragile/Ductile
22 Septembre 2006 46Thèse Vincent Le Corre
IV.1 – Méthode de prélèvement par blocs successifsPrélèvement d’éprouvettes de traction plates
300
350
400
450
500
550
600
-60 -40 -20 0 20 40Température (°C)
Lim
ite d
'éla
stic
ité (M
Pa )
.
Métal Déposé ZAT Métal de Base
Prélèvement d’éprouvettes CT et SENB avec entaille dans la ZAT uniquement
5 mm
22 Septembre 2006 47Thèse Vincent Le Corre
IV.2 – Étude expérimentale de la Transition Fragile/Ductile
Évaluation de la température d’apparition du clivage sur éprouvettes CT et SENB(a/W=0.1)
Observations MEB des sites d’amorçage du clivage
0
2
4
6
8
10
12
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20
Température (°C)
Ava
ncée
de
fissu
re d
uctil
e (m
m)
CT a/W=0.5 Ductile
CT a/W=0.5 Ductile +Fragile
SENB a/w=0.1 Ductile
SENB a/w=0.1 Ductile+Fragile
⇒ Très forte dispersion dans les comportements à rupture
⇒ Détection d’inclusions sphériques micrométriques au site d’amorçage du clivage pour les 2 éprouvettes ayant montré le moins de déchirure.
22 Septembre 2006 48Thèse Vincent Le Corre
IV.3 – Modélisation numérique des essais sur CT
MB
ZAT
MD
Les lois de comportement (MB, ZAT et MD) utilisées sont fonction d’une variable interne représentant les 3 secteurs.
⇒ Inutile de mailler les frontières entre les matériaux.
⇒ Maillage identique à celui d’une éprouvette homogène
⇒ Calcul de J par la méthode G(θ) classique
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Abscisse curviligne du front de fissure (mm)
J / J
MA
X
Eprouvette avec Joint SoudéEprouvette Homogène
22 Septembre 2006 49Thèse Vincent Le Corre
IV – Méthode de caractérisation des Joints Soudés
Démonstration de la faisabilité des essais de caractérisation d’un joint soudé de structure
Prélèvement d’éprouvette mince non-normalisées
Caractérisation du comportement mécanique moyen
Caractérisation du comportement à rupture de la zone la plus faible
Mise en évidence d’un mécanisme de rupture différent de celui du métal de base
Démonstration de la faisabilité de la modélisation numérique des ces essais
Maillage simplifié
Calcul de J
22 Septembre 2006 50Thèse Vincent Le Corre
Conclusions & Perspectives
22 Septembre 2006 51Thèse Vincent Le Corre
Conclusions GénéralesDéveloppement d’un critère de rupture fragile dans la transition Fragile/Ductile
⇒ σth > σ11_MAX : condition nécessaire au clivage
Définition « statistique » de σth à partir d’essais sur éprouvettes AE
⇒ Pr = 1 – exp (-F. Vth)
Vth est le paramètre de chargement, il inclut :
• L’influence de l’avancée de fissure ductile.
• L’effet d’échelle
F inclut :
• Les propriétés « matériau » : m, σu_CT, V0
• L’effet du confinement : σY0
L’effet de la température est présent dans Vth et dans F via σY.
⇒ σth dépassée sans apparition du clivage
σ11_MAX > σth Condition nécessaire / non-suffisante
Influence de la plasticité et/ou de la triaxialité sur σth
22 Septembre 2006 52Thèse Vincent Le Corre
Conclusions Générales
Essai de rupture sur Composant :
⇒ Essai démonstratif :
Mise en évidence du décalage du domaine de transition fragile/ductile par rapport aux éprouvettes de laboratoire
⇒ Essai de validation du critère :
La condition de contrainte seuil permet d’estimer de manière simple une température de disparition du clivage
Le décalage de la transition est dû au faible confinement de plasticité rencontré dans le cas des structures minces
La modification importante de Vth est à l’origine de la rupture fragile après percement
Méthode de caractérisation des joints soudés :
⇒ Démonstration de la faisabilité des essais de caractérisation d’un joint soudé de structure
⇒ Démonstration de la faisabilité de la modélisation numérique des ces essais
22 Septembre 2006 53Thèse Vincent Le Corre
Perspectives immédiatesInfluence de la plasticité et/ou de la triaxialité sur σth :
⇒ Essais sur éprouvettes AE sur un matériau pré-écroui
Dépendance de la fonction F à la géométrie et/ou à la triaxialité :
⇒ Étude des essais de la base ESIS sur d’autres géométries (SENB, Éprouvette en croix)
⇒ Essais sur éprouvettes SENT sur l’acier TU42 C
Interprétation numérique de l’essai sur le tube :
⇒ Mieux reproduire le comportement global de l’essai en complétant le modèle
⇒ Préciser l’évolution du volume seuil en cours de déchirure et au percement
Second essai sur tube sans soudure :
⇒ Confirmer les premiers résultats avec une meilleure maîtrise des conditions expérimentales.
Étude des joints soudés :
⇒ Identifier les paramètres du modèle, la contrainte seuil en premier lieu
⇒ Réaliser un essai de rupture sur un tube soudé
⇒ Évaluer l’influence du joint soudé sur la tenue mécanique de la structure.
22 Septembre 2006 54Thèse Vincent Le Corre
Perspectives à long terme
Multiplier les applications du modèle sur d’autres matériaux
⇒ Acier de cuve
Étendre le modèle à l’ensemble de la zone transition
Établir une méthode simplifiée d’application
⇒ Formules analytiques de calcul de Vth
Essais sur tube (avec ou sans soudure) sous chargement biaxial
⇒ Flexion + Pression
Quantifier l’influence des contraintes résiduelles
⇒ Mesures par diffraction neutronique
22 Septembre 2006 55Thèse Vincent Le Corre
Étude de la compétition déchirure ductile / rupture fragile : Application à la tenue mécanique des tubes en
acier C-Mn et de leurs joints soudés
Vincent Le Corre
22 Septembre 2006 – CEA-Saclay
Laboratoire de Mécanique de Lille – École Centrale de Lille
Laboratoire d’Intégrité des Structures et de Normalisation – CEA Saclay
22 Septembre 2006 56Thèse Vincent Le Corre
Annexes – Hypothèse sur pri
Hypothèse sur pri
)(I.p
d)).(f.(p.J.r
p
J.r
dr).(p.r
p
dV).(p.V
p
thth
YriYth
Y
r
rith
Vri
th
th
th
th
ρρ
=
ρρσσ
=
σ=ρ
σ=
σ=
∫
∫
∫
ρ
1
1
1
1
0
00
0110
0p0 est la moyenne des pri sur Vth ………………………….
Cas 1D ………………………………………………………
Champs de contrainte de [MacMeeking – 95]
La moyenne p0 sur Vth est indépendante du chargement
Yσσ11
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ σ
=σσ
J.rf Y
Y
11Y
thσσ
J.r Yσ
pri, p0
∫ σ=
thVri
thdV).(p.
Vp 110
1
r
22 Septembre 2006 57Thèse Vincent Le Corre
Annexes – Dimensionnement de l’essai sur composant
Toutes les conditions sont remplies pour :
t = 11 mm et a0 = 4 mm
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Rotation imposée (degrés)
Mom
ent (
kN.m
)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
J (k
J/m
²)
MomentJ en Fond de défaut
J=J iθpl/θ el = 2.84θpl/θ el = 1
θ el
Ji = 285 kJ/m²
22 Septembre 2006 58Thèse Vincent Le Corre
Annexes – Dimensionnement de l’essai sur composant
Toutes les conditions sont remplies pour :
t = 11 mm et a0 = 4 mm
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20Distance au front de fissure (mm)
Con
trai
nte
(MPa
)
Rotation = 0.217
Rotation = 0.434
Rotation = 0.652
Rotation à l'amorçage = 1.032
22 Septembre 2006 59Thèse Vincent Le Corre
1/ Entaille mécanique (R < 0.1 mm)
2/ Pré-fissure de fatigue. ∆KFIN = 22 MPa.m1/2
3/ Usinage de réduction diamétrale pour garder uniquement une fissure peu profonde
Géométrie finaleDiam.ext. : 211 mm
Épaisseur : 11 mm
Fissure obtenue pour l’essai de rupture :
Profondeur : 4.5 mm
Longueur de surface : 35 mm10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
3 4 5 6 7 8
Longueur de fissure (mm)
∆K
MPa
.m^1
/2
0
50
100
150
200
250
Forc
e (k
N)
∆KForce Max
Annexes – Préparation de la maquette d’essai
22 Septembre 2006 60Thèse Vincent Le Corre
Annexes – Suivi de la préfissuration
0.0E+00
1.0E-04
2.0E-04
3.0E-04
4.0E-04
5.0E-04
6.0E-04
7.0E-04
8.0E-04
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000
Nombre de cycles
Com
plai
sanc
e (m
m/k
N.m
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Déf
aut e
stim
é (m
m)
Complaisance mesurée
a0 estimé
22 Septembre 2006 61Thèse Vincent Le Corre
Annexes – Prédiction de la déchirure ductile
sConfiguration initiale : Front a0(s)
Recherche du chargement à l’amorçage F0 : Calcul stationnaire dans la configuration initiale, recherche du chargement pour lequel J(F0,δ0)=Ji
i = i+1
Choix d’un incrément de déplacement ∆δ δi = δi−1 + ∆δ
Calcul stationnaire dans la configuration ai-1 :
Détermination du chargement Fi-1 correspondant à δi-1.
Pour chaque point k du front ai-1 (s), recherche de l’incrément vérifiant :
)](J)(J.[Ga ia,plia,plfri ii 11
1 11 −−
− −−−= δδ∆
Maillage du nouveau front ai(s) = ai-1(s) + ∆ai-1
a0
δi-1 δi
F
Fi Fi-1
ai
s
Algorithme d’application de la procédure Gfr pour une fissure bidimensionnelle
22 Septembre 2006 62Thèse Vincent Le Corre
Annexes – Prédiction de la déchirure ductile
4
5
6
7
8
9
10
11
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5Ouverture Clip4 (mm)
Prof
onde
ur a
(mm
)
Procédure Gfr
Calcul analytique de J expérimental
Sous-estimation de la profondeuren fin d’essai (au percement)
Profondeur maximale atteignable par la procédure
0
2
4
6
8
10
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22y (mm) (surface du tube)
Prof
onde
ur (m
m)
22 Septembre 2006 63Thèse Vincent Le Corre
Annexes : Calcul de Vth , Maillage Modélisation de l’essai sur tube
Maillage de propagation par relâchement de nœuds