Etudes expérimentale et numérique de l'effet des mécanismes de plasticité sur la rupture fragile par clivage dans les aciers faiblement alliés

Experimental and numerical study of the effects of local plasticity mechanisms on the ductile to brittle transition in low alloyed steels

• Auteur / Autrice : Maximilien Libert
• Direction : Colette Rey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne1998-2021)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasticité

Contrainte mécanique

Micromécanique (physique du solide)

Acier -- Rupture

Mots clés libres

Rupture fragile

Approche locale

Polycristal

Méthode inversé

Résumé

La compréhension et la modélisation des mécanismes de rupture fragile dans les cuves des réacteurs à eau pressurisée (REP) joue un rôle primordial, notamment pour garantir l’intégrité des cuves en cas de fonctionnement accidentel. Les modèles d’approche locale de la rupture par clivage constituent l’un des principaux outils de prédiction de la ténacité des aciers faiblement alliés : la dispersion des contraintes à rupture y est interprétée comme un effet de la dispersion des tailles de défauts, l’effet des hétérogénéités mécaniques n’étant pas pris en compte. Or, en dessous d’une température de transition de comportement Ta (de l’ordre de 25°C), les mécanismes de déformation sont grandement affectés par la température. Notre approche consiste à prendre en compte l’effet des hétérogénéités de contraintes dans un critère local d’amorçage du clivage. Dans un premier temps, le comportement de l’acier A508 Cl3 est caractérisé aux échelles microscopique et macroscopique dans le domaine [25°C,-196°C]. D’autre part, nous proposons un modèle de comportement micromécanique décrivant le comportement plastique pour T < Ta. Les paramètres du modèle sont calés d’après les observations microstructurales et identifiés par méthode inverse à partir des essais mécaniques. Des calculs de microstructures sont ensuite réalisés afin de modéliser les distributions des contraintes principales locales dans l’acier de cuve. Nous proposons une description statistique des distributions des valeurs de contraintes dans l’agrégat. Cette démarche permet de proposer un modèle d’approche locale de la rupture dépendant à la fois des hétérogénéités mécaniques et des distributions de tailles de défauts.

The comprehension and modelling of brittle fracture mechanisms in pressure vessel steels is crucial, in particular to assess the integrity of pressure vessel reactors under accidental conditions. The local approach to fracture is one of the most used tools to predict the ductile / brittle transition in low alloyed steels. In these models, the dispersion of fracture stresses can be seen as an effect of particle size distribution, whereas the mechanical heterogeneities are not taken into account. Nevertheless, below a behaviour transition temperature Ta (about 25°C), the plasticity mechanisms become strongly dependant on temperature. Our approach consists in taking into account the effect of stresses heterogeneities to formulate a criterion for local cleavage initiation. First, the behaviour of the A508 Cl3 steel is characterized at both macro and micro scale in the temperature domain [25°C, -196°C]. Then, a micromechanical model is proposed to describe plastic behaviour below Ta. The model parameters are set from microstructural observations and identified from the mechanical tests by using an inverse method. Finally, polycristalline aggregates simulations are processed in order to model the distributions of maximum principal stresses. A statistical function is proposed to fit the distributions of local stress values in the aggregate. This approach enables to formulate a local fracture criterion in which the cleavage probability depends both on local field heterogeneities and on particles size distribution.