Compréhension et modélisation des mécanismes et des effets de géométrie dans la transition ductile-fragile

par Aboubakr Amzil

Projet de thèse en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Jacques Besson et de Dahl Anna.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) , MAT-Microstructure, Mécanique, Expérimentation - MIMEX (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 02-11-2017 .


  • Résumé

    Contexte et enjeux :Dans le cadre des analyses de sûreté des composants métalliques du parc nucléaire français, la justification de l'intégrité des composants est basée sur la ténacité à l'amorçage du matériau. Or, la valeur de cette ténacité dépend de la géométrie (et notamment de la taille du front de fissure) de l'éprouvette utilisée pour l'évaluer. De plus, le changement de mécanisme de rupture dans la zone de transition ductile-fragile du matériau (la rupture par clivage est précédée par de la déchirure ductile) conduit à une dispersion importante de la ténacité dans cette zone. Actuellement les dossiers de sûreté sont basés sur une approche globale de la rupture avec une description très conservative de la ténacité à l'amorçage. Une meilleure compréhension et une modélisation fine des mécanismes de rupture dans la transition sont nécessaires pour justifier les gains de marges par rapport aux méthodes actuelles. Objectifs scientifiques : Mieux comprendre les mécanismes de rupture dans la transition et proposer une modélisation fine de ces mécanismes permettant d'expliquer les dispersions statistiques de ténacité. Approche et Méthodes : La rupture fragile dans la zone de transition est précédée par une déchirure ductile. Ces mécanismes de rupture sont très différents et ils nécessitent des modèles adaptés afin de décrire correctement les différentes phases de propagation. Il est notamment important de décrire finement les champs de contrainte en pointe de fissure à l'issue de la phase de propagation en déchirure ductile car ces champs sont utilisés comme données d'entrée du modèle de clivage qui permet ensuite de décrire la rupture fragile. Afin de développer et de valider l'utilisation de ces modèles, il est nécessaire de les confronter à des résultats expérimentaux à différentes températures (évaluation du changement de mécanisme) sur différentes géométries (transfert éprouvette/structure, maîtrise de l'influence du chargement). La démarche proposée s'articule autour de deux grands axes : - Proposer une démarche pour modéliser la rupture dans la zone de transition à l'aide d'un chaînage d'un modèle d'endommagement ductile avec un modèle de rupture fragile, - Réaliser un programme expérimental sur un acier proche des composants métalliques du parc nucléaire français considérés pour valider la démarche de modélisation proposée contenant notamment des essais de rupture à différentes températures avec des géométries et des triaxialités différentes. Résultats attendus : Réaliser une base de données expérimentales permettant d'étudier les effets de géométrie (différentes tailles d'éprouvettes et différentes géométries) à différentes températures dans la zone de transition ductile-fragile d'un acier ferritique faiblement allié. - Identifier un modèle d'endommagement ductile pertinent (compte-tenu des développements en cours) permettant de bien simuler la déchirure ductile afin de reproduire correctement les champs de contrainte en pointe de fissure au moment de l'amorçage fragile. -Identifier un modèle de rupture fragile en s'appuyant sur la base expérimentale. -Mettre en place des outils permettant de faire le chaînage des deux modèles afin de bien reproduire les effets de géométrie dans toute la transition.

  • Titre traduit

    Inderstanding and modelling mechanisms and geometry effects in ductile to brittle transition.


  • Résumé

    Context and challenges: Safety assessment of metallic structures of french nuclear power plants is based on the crack initiation toughness of the material. However this value is known to depend on geometry (in particular on the size of the crack front) of the specimen used for its evaluation. In addition, the change in fracture mechanism in the ductile to brittle transition region (cleavage fracture occuring after significant ductile crack extension) leads to an important scatter for the toughness values in the corresponding temperature domain. Currently, safety assessement is based on a global approach to fracture which provides a very conservative evaluation of crack initiation toughnesses. A better understanding and a detailed modeling of rupture mechanisms in the transition regime are therefore necessary to justify additionnal safety margins compared to present methods. Scientific objectives: Develop a better understanding of rupture mechanisms in the transition regime and propose a detailed modelling strategy to allow explaining statistical scatter of toughness. Methodology: Brittle rupture in the transition region is preceded by significant ductile tearing. These rupture mechanisms are very different and require specific models to precisely describe both phases of crack propagation. It is in particular very important to precisely describe the stress field ahead of the propagating ductile crack as these fields are used as input data to evaluate brittle crack initiation. In order to develop and validate the use of these models, it is necessary to confront them to experimental results obtained at various temperature (to check to ability of the models to predict the change in rupture mechanism) on different geometries (to check the transferabilty between specimens and to a structure and to validate the understanding of the role of loading on fracture). The proposed methodology is based on two main research axes: • Develop a strategy to model rupture in the transition region by combining a ductile damage model to a model for brittle fracture • Conduct an experimental work program on a structural steel close to the steels used in french nuclear plants to validate the proposed modeling strategy. The program will include tests at various temperatures and on different specimen geometries. Expected results: • Build an experimental database allowing for the study of the effect of geometry (different specimen sizes and different geometries) at various temperatures in the transition regime on a low-alloy ferritic steel. • Identify a model for ductile fracture based on existing developments allowing for the simulation of ductile tearing in order to precisely evaluate stresses leading to brittle fracture. • Identify a model for brittle fracture based on the experimental database. • Develop tools needed to couple both models in order to reproduce the effect of geometry on fracture in the transition regime.