Développement de méthodes et d'analyses pour l'étude de la ténacité sur petites éprouvettes

Development of methods and analyzes for measurement of the fracture toughness on thin specimens.

• Auteur / Autrice : Sihan Cheng
• Direction : Jacques Besson, Yazid Madi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 18/03/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Clotilde Berdin-Meric
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Besson, Yazid Madi, Anne-Marie Habraken, Patrice Longère, Jérôme Garnier, Thomas Pardoen, Bernard Marini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Habraken, Patrice Longère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fissuration

Acier

Acier -- Ductilité

Propriétés mécaniques

Matériaux

Mots clés libres

Ténacité

Propagation de fissure

Éprouvette miniaturisée

Travail essentiel

Effet de l'épaisseur

316l(N)

Effet de taille

FractureToughness

Crack propagation

Miniaturized specimen

Essential work

Thickness effect

316l(N)

Size effect

Résumé

Les essais de ténacité permettent de mesurer les propriétés de résistance d'un matériau vis-à-vis de l'amorçage et de la propagation de fissure. La réalisation de ces essais nécessite l'utilisation d'éprouvettes suffisamment grandes afin de mesurer une propriété valide. Cependant, il existe de nombreux cas pour lesquels il n'est pas possible d'obtenir des éprouvettes de dimensions suffisantes. En combinant une approche expérimentale et la simulation, cette thèse vise à développer des méthodes de mesure de la ténacité d'un matériau ductile à l'aide de petites éprouvettes. Un acier 316L(N) a été retenu pour cette étude car il est largement utilisé dans l'industrie nucléaire. Afin d'évaluer la robustesse de la démarche, l'étude a été conduite sur l'alliage à l'état neuf et sur un état moins ductile vieilli à 750°C en 2000h.L'étude a été faite sur une large gamme d'éprouvettes non fissurées (lisses, axisymétriques entaillées, doublement entaillées (DENT), de déformation plane) et fissurées (CT) de géométries variables. Les éprouvettes fissurées ont été analysées en terme de courbe J-da et les éprouvettes non fissurées (DENT) en terme de travail essentiel de rupture. Cette large base d'essais, combinée avec des expertises fractographiques et des essais interrompus, a permis d'identifier la séquence d'endommagement et d'ajuster un modèle de comportement et d'endommagement couplé (type GTN). La confrontation entre expériences et simulations a permis de discuter l'effet de taille sur la mesure de J, les limites de validité des normes et la compétition entre rupture par déchirement ductile et instabilité pastique.

Fracture toughness tests allow measuring a material's properties resisting crack initiation and propagation. They require the specimen size to be large enough to measure a valid value. However, there are numerous cases where obtaining specimens of adequate dimensions is impossible. By combining an experimental approach with simulations, this thesis aims to develop methods for measuring the toughness of a ductile material using small specimens. This study is carried out on 316L(N) stainless steel, which is widely used in the nuclear industry. To assess the robustness of the approach, the material was studied at its as-received state and at an aged state at 750°C for 2000 hours, which is less ductile.A broad range of uncracked specimens (smooth and notched tensile, double edge notched tensile (DENT), and flat-grooved) and cracked specimens (CT) with variable geometries was studied. The cracked specimens were analyzed in terms of J-da curve, and the uncracked specimens (DENT) in terms of essential work of fracture. These tests, combined with fractographic analysis and interrupted tests, allow identifying the damage sequence and adjusting a coupled plastic behavior and damage model (GTN type). The comparison between experiences and simulations facilitated discussions on the size effect on J measurement, the validity limits of standards, and the competition between rupture by ductile tearing and plastic instability.