Déchirure ductile des aciers à haute résistance pour gazoducs (X100)

par Thang Trung Luu

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Benoît Tanguy.

Soutenue en 2006

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Cette étude concerne la déchirure ductile des aciers à haute limite d'élasticité utilisés pour la construction des gazoducs. La microstructure et la réponse mécanique de deux tôles et d'un tube en acier X100 (R=100ksi=690MPa) ont été étudiées. Ces matériaux possèdent une microstructure ferrito-bainitique. Le programme expérimental porte sur des éprouvettes lisses, des éprouvettes entaillées et des éprouvettes fissurées. Des éprouvettes de traction simple suivant trois directions principales ont été utilisées. Ces essais ont montré que les aciers étudiés présentent une forte anisotropie plastique. La limite d'élasticité des tôles se trouve au-dessous de la valeur requise pour l'acier X100. Ce n'est qu'après la production de tubes, qui implique une déformation plastique lors de la mise en forme, que l'acier atteint le grade X100. Les mécanismes de rupture sont étudiés par microcopie optique et électronique à balayage sur des coupes métallographiques et des examens fractographiques de l'ensemble des éprouvettes (traction, AE, Charpy V et CT). La naissance de l'endommagement se caractérise par la rupture ou la décohésion des sulfures de calcium et des nitrures de titane. Deux modes de coalescence sont observés~: la striction interne et la coalescence en bande. L'effet d'une pré-déformation sur les caractéristiques de traction et sur la ténacité est étudié en pré-déformant des barreaux de traction de 1. 6%, 3. 6% et 5. 9% de déformation plastique. Une pré-déformation provoque une augmentation de la limite d'élasticité et de la résistance à traction, mais diminue la ténacité du matériau. La propagation ductile dynamique sur de grandes distances (100 à 200mm) est étudiée à l'aide d'une expérience de rupture à grande vitesse (20 à 40m/s) de grandes tôles qui permet de reproduire la rupture par cisaillement observée lors de l'éclatement des pipelines. La résistance à la propagation sur de longues distances est évaluée par le taux de dissipation d'énergie. Nos essais réalisés sur les deux tôles confirment la tendance observée précédemment selon laquelle les structures ferrito-bainitiques permettent d'obtenir un bon compromis entre la ténacité et leur limite d'élasticité. La simulation par éléments finis de la déchirure ductile des tôles a été effectuée. Les simulations sont basées sur une extension du modèle Gurson-Tvergaard-Needleman incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de cavités. Un nouveau critère de plasticité anisotrope récemment développé pour les alliages d'aluminium est utilisé. Les paramètres sont ajustés sur de petites éprouvettes. La transférabilité sur les grandes plaques en pleine épaisseur est vérifiée. Le modèle permet de représenter les caractéristiques principales des essais de déchirure ductile dynamique~: la courbe de chargement, la forme du front de fissure, le développement de la striction en pointe de fissure et le taux de dissipation d'énergie.

  • Titre traduit

    Ductile tearing of high strength steels for gas pipelines (X100)


  • Résumé

    This study concerns the ductile tearing of high-strength pipeline steels (X100). The microstructure and the mechanical response of two plates and a pipe are studied. The microstructure of these materials is mainly ferritic-bainitic. The experimental program includes smooth, notched and cracked specimens. The smooth tensile tests conducted along three principal directions reveal a strong anisotropy plastic effect. The yield strength of the plate is lower than the required value for grade X100 which is obtained on the pipe after UOE forming process. Metallographic and fractographic observations indicate the nucleation of voids around calcium sulfide or titanium nitride particles. Two modes are observed for void coalescence~: internal necking and void-sheet mechanism. The effect of a pre-strain on tensile characteristics and fracture toughness is studied. The flat blanks are subjected to tensile deformation in a servohydraulic testing machine. Pre-strains of 1. 6%, 3. 6% and 5. 9% are imposed through this process. The yield strength and ultimate tensile strength increase with pre-straining. The experimental investigations demonstrate also a significant effect of pre-strain on fracture toughness and stable crack growth resistance. These parameters decrease with pre-straining. The dynamic ductile crack propagation on long distance is studied by an original experiment performed on wide-plates. This experiment allows us to reproduce crack growth rate as long as 20-40m/s. The localisation of deformation resulting in dynamic shear fracture is reproduced as observed in pipeline burst. The resistance to fast crack propagation is evaluated quantitatively by energy dissipation rate. Our tests confirm the advantage of ferritic-bainitic steels for the yield strength-toughness compromise. Ductile tearing of wide-plates was simulated using FE method. The simulations are based on an extension of Gurson-Tvergaard-Needleman model which includes the description of plastic anisotropy and void nucleation. A new anisotropic yield function recently developed for aluminium alloys is used. The parameters are adjusted on small specimens. The model is then used to simulate the ductile tearing on a wide-plate. Main characteristics of ductile tearing tests are reproduced~: the loading curve, the shape of crack front, the development of thickness reduction and the energy dissipation rate.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (2 36 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury

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  • Cote : EMC LUU
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