Propagation dynamique et arrêt de fissure de clivage dans un acier bainitique

par Méjido Hajjaj

Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux

Sous la direction de Philippe Bompard.


  • Résumé

    Lors de l'analyse de l'intégrité d'une structure, l'aspect généralement pris en compte est l'amorçage d'une fissure au fond d'un défaut hypothétique. On calcule le facteur d'intensité des contraintes (FIC) et on le compare à une valeur caractéristique du matériau (ténacité KIC, pour la rupture fragile par exemple). En complément des études de nocivité de défauts, le concept d'arrêt de fissure pourrait être utilisé comme analyse complémentaire aux études de sûreté. Irwin a introduit le concept d'arrêt de fissure caractérisé par une ténacité à l'arrêt KIa. L'arrêt se produit lorsque le facteur d'intensité de contrainte en pointe de défaut devient inférieur à la ténacité à l'arrêt calculé en élasto-statique (KI  KIa). L'objectif de cette thèse est de comprendre et de prévoir l'arrêt de fissure se propageant à grande vitesse dans un acier 18MND5 utilisé dans les cuves de réacteurs à eau pressurisée (REP). Il s'agit d'étudier l'influence de différents effets (vitesse de propagation, loi de comportement) sur le facteur d'intensité des contraintes à l'arrêt KIa et sur les autres grandeurs caractéristiques de la rupture (approche locale, globale,. . . ) ; le mode de rupture à l'amorçage et durant la propagation étant le clivage. L’essai choisi pour étudier l’arrêt de fissure est l’essai de choc thermique sur disque. Afin de déterminer les micro-mécanismes responsables de l’arrêt de fissure, les surfaces de rupture des disques de choc thermique ont été observées au microscope électronique à balayage. Ces observations ont montré que l’arrêt de fissure s’effectue toujours en clivage. L'étude précise de la zone d’arrêt a permis de constater la présence de marches de cisaillement d'une hauteur de 150 m, soit 3 fois la taille d'un ancien grain austénitique. En comparaison, une étude de la phase de propagation a permis d'observer des marches exclusivement en clivage, d'une taille correspondant à la taille d'un ancien grain austénitique (50 m). Ainsi il semblerait au travers de ces observations que l'entité microstructurale critique vis-à-vis de la propagation et de l'arrêt de fissure correspond à au moins la taille d'un ancien grain austénitique. Les disques de choc thermique ont été analysés par la méthode des éléments finis en considérant différentes hypothèses de calcul (élasto-statique, élastoplastique-statique, élastovisco-plastique dynamique). Les analyses élasto-statiques confirment le conservatisme de la courbe codifiée du RCC-M vis-à-vis des valeurs de KIa. Les analyses dynamiques montrent que la décélération de la fissure mesurée en fin de propagation modifie de façon significative le champ de contrainte en pointe de fissure, due aux vibrations de la structure. La transférabilité aux composants de la ténacité à l’arrêt obtenue à partir d’essais analysés en statique n’est donc pas assurée. La modélisation de la propagation et de l’arrêt de fissure via un critère local de type « RKR » (caractérisé par une contrainte critique c qui dépend de la température) a été effectuée en 2D et en 3D. Les résultats montrent que l’on rend bien compte de la cinétique de fissuration durant la propagation, de la longueur à l’arrêt, ainsi que la courbure marquée du front observée expérimentalement.

  • Titre traduit

    Dynamic propagation and cleavage crack arrest in bainitic steel


  • Résumé

    In complement of the studies of hamfulness of defects, generally realized in term of initiation, the concept of crack arrest could be used as complementary analyses to the studies of safety. The stop occurs when the stress intensity factor becomes lower than crack arrest toughness (Kla) calculated in elasto-static. The aim of this thesis is to understand and predict the stop of a crack propating at high speed in 18MND5 steel used in the pressure water reactor (PWR). The test chosen to study crack arrest is the disc thermal choc test. The observations under the scanning electron microscope of the fracture surface showed that the crack arrest always occurs in cleavage mode and that the critical microstructural entity with respect to the propagation and crack arrest corresponds to at least the size of the prior austentic grain. The numerical analyses in elasto-statics cofirm the conservatism of the codified curve of the RCC-M with respect to the values of Kla. The dynamic numerical analyses show that the deceleration of the crack measured at the end of the propagation is related to the global dynamic of the structure (vibrations). The transferability to components of crack arrest toughness obtainded from tests analysed in static is thus not assured. The disc thermal choc tests were also modelled by considering a criterion of propagation and arrest of the type "RKR" characterized by a critical stress oc wich depends on the temperature. The results obtained account well for the crack jump measured in experiments as well as the shape of crack arrest front

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Informations

  • Détails : 1 vol. (219 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 98 réf.

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