Caractérisation et modélisation des mécanismes d'endommagement des matériaux par la cavitation

Characterization and Modeling of Material Damage Mechanisms by Cavitation

• Auteur / Autrice : Julien Hofmann
• Direction : Marc Fivel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/01/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Ayela
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Fivel, Sébastien Allain, Sébastien Mercier, Eva Heripre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Allain, Sébastien Mercier

Mots clés

Mots clés libres

Cavitation

Mécanisme d'endommagement

Acier inoxydable

Meb

Tomographie aux rayons X

Simulation numérique

Cavitation

Damage mechanic

Stainless steel

Sem

X-ray tomography

Numerical simulation

Résumé

Les aciers inoxydables martensitiques X3CrNiMo13-4 et X4CrNiMo16-5-1 sont à ce jour largement utilisés pour la fabrication de turbines hydroélectriques pour leur bonne résistance mécanique et leur résistance à la corrosion intéressante. Bien que ces matériaux aient largement été étudiés d'un point de vue mécanique et microstructural, le lien entre ces caractéristiques et les mécanismes d'endommagement n'est pas clairement établi. Or dans certaines situations, l'exploitant est amené à opérer dans des conditions d'écoulement cavitant qui endommage les turbines jusqu'à provoquer des pertes de masse, des nuisances sonores et des diminutions du rendement. Dans ces situations, pour que le turbinier puisse prédire la durée de vie des composants exposés à la cavitation, il doit recourir à des modélisations mais ces dernières reposent sur un point clef du modèle mathématique : la loi d'endommagement. L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce manuscrit est précisément de caractériser et de modéliser les mécanismes d'endommagement induits par la cavitation. Dans ce travail, les matériaux ont été exposés à la cavitation à l'aide de deux dispositifs expérimentaux complémentaires, MUCEF et PREVERO, permettant de générer respectivement de la cavitation acoustique et hydrodynamique. Afin d'identifier les mécanismes d'endommagement, des suivis temporels de l'amorçage et de la propagation des fissures ont été effectués à la surface des matériaux par microscopie électronique et dans le volume par tomographie aux rayons X. Les observations mettent en évidence que l'amorçage des fissures se produit au voisinage d'éléments non métalliques, le long de bandes de glissements persistantes, signatures d'une sollicitation de fatigue à très faible nombre de cycles. Les fissures se propagent de la surface vers le volume puis parallèlement à la surface sans plus être influencées par la présence des intermétalliques. Nous avons montré que ce mécanisme d'endommagement est le même pour les deux matériaux sélectionnés, pour deux états microstructuraux testés et pour les deux conditions expérimentales. Finalement, les distributions de taille et de fréquence des pits permettent de proposer un modèle simple d'endommagement utilisable par des simulations par éléments finis.

Martensitic stainless steels X3CrNiMo13-4 and X4CrNiMo16-5-1 are widely used to date in the construction of hydroelectric turbines for their good mechanical resistance and intriguing corrosion resistance. Despite extensive mechanical and microstructural studies on these materials, the connection between these properties and damage mechanisms remains unclear. In certain situations, operators must work under cavitation flow conditions, which can cause turbine damage, resulting in mass loss, noise issues, and reduced efficiency. In such scenarios, turbine engineers need to resort to modeling, and a crucial aspect of the mathematical model is the damage law. The objective of the research presented in this manuscript is precisely to characterize and model the damage mechanisms induced by cavitation. In this work, the materials were exposed to cavitation using two complementary experimental setups, MUCEF and PREVERO, allowing the generation of acoustic and hydrodynamic cavitation, respectively. To identify damage mechanisms, temporal monitoring of crack initiation and propagation was conducted on the material's surface through electron microscopy and in the material's volume using X-ray tomography. The observations reveal that crack initiation occurs in the vicinity of non-metallic elements, along persistent slip bands, which are indicative of very low-cycle fatigue loading. Cracks propagate from the surface into the volume and then parallel to the surface, no longer influenced by the presence of intermetallics. We have shown that this damage mechanism is the same for the two selected materials, for two tested microstructural states, and for the two experimental conditions. Ultimately, the size and frequency distributions of pits allow for the proposal of a simple damage model applicable for finite element simulations.