Ductilité et ténacité des aciers : utilisation de mini-éprouvettes pour caractériser les matériaux

Ductility and toughness of steels : using subsize specimens to characterize materials

• Auteur / Autrice : Chiraz Belhadj
• Direction : Yazid Madi, Jacques Besson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 21/04/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Haboussi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yazid Madi, Jacques Besson, Elhem Ghorbel, Tom Petit, Adrien Van Gorp
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Haboussi, Elhem Ghorbel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Rupture

Matériaux -- Fatigue -- Machines d'essai

Mots clés libres

Éprouvette standard

Éprouvette miniaturisée

Caractérisation mécanique

Ténacité

Tomographie

Effet d'échelle

Plasticité

Mécanique de la rupture

Gazoduc

Aciers X52

Standard-Size specimens

Sub-size specimen

Mechanical characterization

Toughness

Tomography

Scale effect

Plasticity

Fracture mechanics

Pipeline

X52 grade of steel

Résumé

Le dimensionnement des structures nécessite une compréhension des propriétés en propagation de fissure des matériaux employés. Pour ce faire, on utilise des essais mécaniques normalisés sur des éprouvettes fissurées de type CT ou SENT. Ces essais doivent être réalisés sur des éprouvettes suffisamment grandes par rapport à la taille de la zone d’élaboration de la rupture. Ces dimensions sont de l’ordre de quelques centimètres. Cependant, l’utilisation des éprouvettes de petite taille est incontournable dans plusieurs cas : éprouvettes prélevées in situ afin de contrôler les structures en service ou lors de leur réception, lors de la mise au point de nouveaux matériaux en quantité limitée, lorsque la structure ne permet pas d’extraire des éprouvettes suivant les recommandations des normes. Dans tous ces cas, il s’avère être difficile de réaliser des essais normalisés. Une approche qui permettrait de résoudre ce problème serait d’établir des procédures permettant l’accès aux propriétés macroscopiques à partir d’essais sur mini-éprouvettes. L’objectif de la thèse est de développer des protocoles d’essais sur mini–éprouvettes. L’étude est réalisée sur un acier de gazoduc de grade X52. On réalise tout d’abord des essais sur des éprouvettes de taille usuelle. Des éprouvettes de traction axisymétriques lisses et entaillées prélevées dans la direction de laminage et dans le sens transverse sont employées. La réduction de la section minimale est suivie par un système de caméras. Pour la ténacité, on réalise des essais sur des éprouvettes de fissuration de type CT et SENT selon la méthode de la complaisance (ASTM E1820). À l’échelle des mini–éprouvettes, on reproduit la même démarche. Cependant, la taille réduite des éprouvettes ne permet pas la mesure de l’ouverture de la fissure à la position normalisée. C’est pourquoi, il est nécessaire de modifier la procédure de la norme. Des calculs par éléments finis ont été employés pour calculer les différents facteurs géométriques permettant de déterminer les courbes J—∆a. L’étude sur les éprouvettes standard montre une anisotropie plastique de déformation. Il existe une forte anisotropie de rupture due à la présence d’inclusions de type MnS allongées selon la direction de laminage. On aboutit aux mêmes conclusions à l’échelle réduite en plus d’un effet d’échelle : les mini–éprouvettes sont légèrement plus ductiles. Sur éprouvettes DCT, on obtient des résultats très reproductibles. On met également en évidence un effet d’échelle marqué : les courbes J—∆a sur mini–éprouvettes sont systématiquement situées en dessous de celles des CT standard.

Structural design requires an understanding of the crack propagation properties of the materials used. To do this, standardised mechanical tests on cracked CT or SENT specimens are used. These tests must be carried out on specimens that are large enough in relation to the size of the zone in which the fracture develops. These dimensions are of the order of a few centimetres. However, the use of small specimens is unavoidable in several cases: specimens taken in situ in order to check structures in service or during their acceptance, during the development of new materials in limited quantities, when the structure does not allow specimens to be extracted in accordance with the recommendations of the standards. In all these cases, it is difficult to carry out standardised tests. One approach to solving this problem would be to establish procedures for accessing macroscopic properties from sub-size specimens. The aim of this thesis is to develop protocols on sub-size specimens. The study was carried out on a grade X52 gas pipeline steel. Tests were first carried out on standard-size specimens. Smooth and notched axisymmetric tensile specimens taken in the rolling direction and in the transverse direction were used. The reduction in minimum cross-section is monitored using a camera system. Toughness tests are carried out on CT and SENT cracking specimens using the compliance method (ASTM E1820). The same approach is used for sub-size specimens. However, the small size of the specimens makes it impossible to measure the crack opening at the standard position. For this reason, it was necessary to modify the standard procedure. Finite element calculations were employed to compute the various geometric factors to determine the J-∆a curves.The study on standard specimens shows plastic anisotropy of deformation. There is a strong fracture anisotropy due to the presence of elongated MnS-type inclusions along the rolling direction. The same conclusions were reached on the sub-size specimens, in addition to a scale effect: sub-size specimens are slightly more ductile. On DCT specimens, we obtained highly reproducible results. A marked scaling effect was also observed: the J-∆a curves on sub-size specimens are systematically lower than those on standard CTs.