Critère de propagation et d'arrêt de fissure de clivage dans un acier de cuve REP

Criterion of cleavage crack propagation and arrest in a nuclear PWR vessel steel

• Auteur / Autrice : Amaury Bousquet
• Direction : Philippe Bompard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et science des matériaux
• Date : Soutenance le 09/01/2013
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Aubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bompard, Stéphane Chapuliot, Gilbert Hénaff, Clotilde Berdin-Meric, Anna Dahl
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Chapuliot, Gilbert Hénaff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Fissuration

Résistance des matériaux

Mots clés libres

Clivage

Ténacité

Arrêt de fissure

Cleavage

Toughness

Crack arrest

Résumé

L’objectif de cette thèse est de comprendre les micro-mécanismes physiques de propagation et d’arrêt de fissure de clivage dans l’acier de cuve 16MND5 et de proposer un modèle de prédiction robuste et physiquement fondé, en s’appuyant sur une campagne d’essais de rupture fragile sur éprouvettes de laboratoire finement instrumentées, associée à la modélisation numérique de ces essais. Dans un premier temps, des expériences ont été menées sur des éprouvettes CT25 de différentes épaisseurs à cinq températures (-150°C, -125°C, -100°C, -75°C, -50°C). Des trajets de fissures rectilignes et branchées (deux fissures se développant de manière quasi-symétrique) ont été observés. Pour estimer la vitesse de propagation, une caméra ultra-rapide a été utilisée, associée à la mise au point d’un protocole expérimental permettant d’observer la face de l’éprouvette dans l’enceinte thermique, sans givrage. Des observations à 500 000 images.s-1 ont permis de caractériser finement la vitesse instantanée de la fissure sur le ligament complet de la CT (~25 mm). En parallèle, pour pouvoir analyser les essais et l’impact de la viscosité sur la réponse mécanique autour de la fissure, le comportement élasto-viscoplastique du matériau a été étudié jusqu’à une vitesse de déformation de 104 s-1 pour les températures étudiées. La méthode des éléments finis étendus (X-FEM) a été utilisée dans le code de calcul CAST3M pour modéliser la propagation de fissure. Les simulations numériques associent l’approche locale de la rupture en dynamique non linéaire et un critère de propagation en contrainte critique de type RKR à une distance caractéristique. Les travaux réalisés ont permis de confirmer la forme du critère proposé par Prabel à -125°C, et d’identifier les dépendances de ce critère à la température et à la vitesse de déformation. A partir d’analyses numériques en 2D et 3D, un critère multi-température fonction croissante de la vitesse de déformation est proposé. Des modélisations prédictives ont permis de valider le critère sur deux géométries d’éprouvettes (CT et anneau) en mode I à différentes températures. Des observations MEB et des analyses 3D au microscope optique montrent que le mécanisme de rupture est le clivage associé à des zones de cisaillement ductile entre les différents plans de fissuration. L’étude de la fraction surfacique des marches de cisaillement et des contraintes de fermeture associées tend à justifier le critère mis en place. Un modèle analytique est proposé permettant de justifier le critère déduit des modélisations numériques. Ce modèle considère que les ligaments retiennent la lèvre de la fissure et induisent donc des contraintes de fermeture au niveau de la pointe de fissure qu’il faut compenser pour atteindre la contrainte de clivage effective en pointe de fissure. Cette résistance des ligaments est directement reliée à la loi de comportement du matériau et justifie la dépendance du critère de rupture identifié à la vitesse de déformation. Enfin, les branchements de fissure ont été analysés via le dépouillement des vidéos obtenues avec la caméra rapide qui mettent en évidence un amorçage initial rectiligne, puis un amorçage de fissures multiples de part et d’autre du plan de fissure qui conduisent à l’arrêt de la fissure initiale, l’une de ces fissures ‘secondaires’ conduisant ensuite à la rupture de l’éprouvette. Les rôles essentiels de l’épaisseur et du chargement dans ce mécanisme de branchement sont soulignés. L’augmentation de l’épaisseur réduit la fréquence d’apparition de ce mécanisme et finit même par l’annuler. Logiquement l’intensité du chargement doit être suffisamment importante pour créer cette zone plastique étendue : les essais qui présentent une propagation rectiligne sont les essais pour lesquels les chargements à l’amorçage sont les plus faibles.

The purpose of this PhD thesis is to understand physical mechanisms of cleavage crack propagation and arrest in the 16MND5 PWR vessel steel and to propose a robust predicting model based on a brittle fracture experimental campaign of finely instrumented laboratory specimens associated with numerical computations. First, experiments were carried out on thin CT25 specimens at five temperatures (-150°C, -125°C, - 100°C, -75°C, -50°C). Two kinds of crack path, straight or branching path, have been observed. To characterize crack propagation and to measure crack speed, a high-speed framing camera system was used, combined with the development of an experimental protocol which allowed to observe CT surface without icing inside the thermal chamber and on the specimen. The framing camera (520 000 fps) has allowed to have a very accurate estimation of crack speed on the complete ligament of CT (~ 25 mm). Besides, to analyse experiments and to study the impact of viscosity on the mechanical response around the crack tip, the elastic-viscoplastic behavior of the ferritic steel has been studied up to a strain rate of 104 s-1 for the tested temperatures.The eXtended Finite Element Method (X-FEM) was used in CAST3M FE software to model crack propagation. Numerical computations combine a local non linear dynamic approach with a RKR type fracture stress criterion to a characteristic distance. The work carried out has confirmed the form of the criterion proposed by Prabel at -125°C, and has identified the dependencies of the criterion on temperature and strain rate. From numerical analyzes in 2D and 3D, a multi-temperature fracture stress criterion, increasing function of the strain rate, was proposed. Predictive modeling were used to confirm the identified criterion on two specimen geometries (CT and compressive ring) in mode I at different temperatures. SEM observations and 3D analyzes made with optical microscope showed that the fracture mechanism was the cleavage associated with ductile shear zones between the different planes of cracking. The study of the surface fraction of ductile shear zones and associated closing stress tends to justify the established criterion. An analytical model is proposed to justify the criterion deduced from numerical modeling. This model assumes that the ligaments hold the crack lips and therefore induce closing stress at the crack tip which has to be compensated to achieve the effective cleavage stress at the crack tip. This resistance of ligaments is directly related to the mechanical behavior of the material and justifies the dependence of fracture stress criterion with strain rate. Lastly, the crack branching was analyzed thanks to movies obtained with the high-speed camera. The cleavage crack propagates in a straight way over few millimeters. Then, new cracks appear on both sides of the initial crack lips which leads to the arrest of the initial crack. One of the new cracks leads to the failure of the CT specimen. The essential role of the thickness and loading on this branching mechanism is emphasized. The increased thickness reduces the frequency of occurrence of this mechanism and eventually even cancel. Low thicknesses lead to more extensive plasticity at the crack tip and generates the germs for the triggering of secondary cracks that appear. Logically, the intensity of loading must be large enough to create this extended plastic zone : the experiments with a straight path are the tests for which the initial loadings are the lowest.