Prédiction de la non-rupture fragile dans un joint soudé en acier C-Mn dans le domaine de la transition fragile/ductile, Prediction of non-brittle fracture in the welded joint of C-Mn steel in the brittle/ductile transition domain

Thai Ha Nguyen

Description

Sous la direction de Suzanne Degallaix, Christophe Niclaeys
Thèse soutenue le 19 novembre 2009: Ecole Centrale de Lille
Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte de la sûreté nucléaire, et plus précisément, de l’intégrité des circuits secondaires des Réacteurs à eau pressurisée (REP). L’étude porte donc sur le comportement à rupture de structures minces soudées dans le domaine haut de la transition fragile/ductile. Elle a pour objectif de développer le modèle en contrainte seuil initialement développé par Chapuliot, qui permet de prédire la non-rupture par clivage de cette structure soudée. Le modèle est identifié pour la soudure de l’acier au C-Mn de construction nucléaire, en s’intéressant plus particulièrement à la limite supérieure du domaine de transition.Une contrainte seuil, en-dessous de laquelle le clivage ne peut avoir lieu, est identifiée à partir d’essais de traction à basses températures sur éprouvettes axisymétriques entaillées prélevées dans le joint soudé. Cette contrainte seuil permet de définir le volume seuil, ou volume dans lequel les contraintes principales maximales dépassent la contrainte seuil au cours de l’essai.L’analyse au MEB des faciès des éprouvettes rompues montre que la zone fondue brute de solidification dans la ZAT est la zone la plus susceptible de cliver. La relation entre la probabilité de rupture fragile et le volume seuil dans cette zone est établie via une fonction de sensibilité, grâce à des essais sur éprouvettes CT et à leur simulation multi-matériaux. Le modèle ainsi identifié est testé pour prévoir la non rupture par clivage d’éprouvettes SENT prélevées dans le joint soudé et sollicitées en traction. Les résultats obtenus sont encourageants relativement à la transférabilité du modèle à la structure réelle
-Acier C-Mn
-Soudure
-Rupture fragile
-Clivage
-Simulation
This work concerns the nuclear safety, specifically the secondary circuit integrity of pressurized water reactors (PWR). Therefore, the present study focuses on the fracture behaviour of welded thin structures in brittle/ductile transition. It aims at developing the threshold stress model initially proposed by Chapuliot, to predict the non-brittle-fracture of this welded structure. The model is identified for the welded joint in C-Mn steel for nuclear construction, specifically in the upper part of the transition.A threshold stress, below which the cleavage cannot take place, is identified using tensile tests at low temperature on axis-symmetrical notched specimens taken in welded joint. This threshold stress is used to define the threshold volume where the maximum principal stress exceeds the threshold stress during the test.The analysis by SEM of specimen fracture surfaces shows that the gross solidification molten zone in the weld is the most likely to cleave. The relation between the brittle fracture probability and the threshold volume in the gross solidification molten zone is established via a sensitivity function, using multi-materials simulations. The model thus identified is tested for the prediction of non-brittle-fracture of SENT specimens taken in the welded joint and tested in tension. The results obtained are encouraging with regards to the transferability of the model to the actual structure
-C-Mn Steel
-Weld
-Brittle fracture
-Cleavage
-Finite element modeling
Source: http://www.theses.fr/2009ECLI0017/document

Sujets

• Soudure
• Clivage
• Simulation
• Weld

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

N° d’ordre 108
ECOLE CENTRALE DE LILLE


THESE

pour l’obtention du grade de

DOCTEUR

SPECIALITE : MECANIQUE

présenté par

Thai Ha NGUYEN


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PREDICTION DE LA NON-RUPTURE FRAGILE DANS UN
JOINT SOUDE EN ACIER C-Mn DANS LE DOMAINE DE LA
TRANSITION FRAGILE/DUCTILE ====================


Directrice de Thèse : Suzanne DEGALLAIX-MOREUIL


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Soutenue le 19 novembre 2009



- JURY -

M. P. BOMPARD Professeur, Ecole Centrale de Paris Rapporteur
M. G. BEZINE Professeur, ENSMA
M. D. KONDO Professeur, Université de Lille 1 Examinateur
M. P. GILLES Ingénieur Recherche, AREVA NP
M. S. CHAPULIOT HDR, Ingénieur Recherche, AREVA NP
M. S. MARIE HDR, Ingénieur Recherche, CEA Saclay Encadrant CEA
M. C. NICLAEYS Maître de Conférences, Ecole Centrale de Lille Co-encadrant
Mme S. DEGALLAIX-MOREUIL Professeur, Ecole Centrale de Lille Directrice de thèse

Thèse du Laboratoire Mécanique de Lille,
préparée dans le Laboratoire d’Intégrité des Structures et de Normalisation au CEA-Saclay

Ecole Doctorale SPI 072
tel-00578811, version 1 - 22 Mar 2011REMERCIEMENTS



Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une coopération entre le Laboratoire Mécanique de
Lille à l’Ecole Centrale de Lille et le Laboratoire d’Intégrité des Structures et des
Normalisations du CEA Saclay.

Tout au long de ma thèse jusqu’à la présentation finale, j’ai bénéficié de nombreux et divers
appuis pour mener à bien ce travail. Un chaleureux remerciement à tous ceux qui m’ont
permis d’aller au bout de l’aventure.

Je tiens à exprimer ma profonde gratitude au professeur S. Degallaix-Moreuil, directrice de
thèse, pour son suivi, sa disponibilité, surtout pour son enthousiasme et l’ensemble de ses
conseils avisés.

Mes remerciements vont à mes encadrants de thèse au CEA, Stéphane Chapuliot et Stéphane
Marie, qui ont encadré ce travail au quotidien au LISN. Leurs qualités tant scientifiques
qu’humaines ont été pour moi un soutien inestimable. Aussi, ce que je retiendrai de ces trois
ans de thèse va bien au-delà de la mécanique de la rupture.

Je tiens à remercier Christophe Niclaeys, co-encadrant au LML, pour sa formation sur les
observations au MEB et pour m'avoir apporté toute l'aide dont j'avais besoin.

Je dis un grand merci à Monsieur Philippe Bompard et à Monsieur Gérard Bézine d’avoir
accepté de rapporter avec rigueur et précision sur ce travail. Monsieur Djimedo Kondo et
Monsieur Philippe GILLES m’ont également fait l’honneur de participer à mon jury de thèse
et je les en remercie.

Je remercie également tous ceux qui ont participé à ce travail : Lionel Ferry, Thierry Le
Grasse et Grégory Perez, pour leur aide sur les essais mécaniques, et Yann Kayser et Benoît
Prabel pour leurs nombreux conseils.

Je veux également remercier l’ensemble des membres du LISN pour l’ambiance chaleureuse
qui règne dans le laboratoire, qui a accompagné chaque jour le bon déroulement de la thèse.

J’aimerais enfin avoir une pensée particulière pour mes parents et pour ma femme, Hai Van,
qui m’ont toujours assuré de leur soutien et de leur patience tout au long de ces trois années
de thèse.



Thai Ha NGUYEN







tel-00578811, version 1 - 22 Mar 2011RESUME

Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte de la sûreté nucléaire, et plus précisément, de
l’intégrité des circuits secondaires des Réacteurs à eau pressurisée (REP). Le problème posé
est celui de la rupture d’une structure tubulaire mince en acier ferritique peu allié, comportant
de nombreuses soudures d’aboutement, l’acier ferritique en question et sa soudure présentant
une zone de transition de ténacité fragile/ductile. De plus, les soudures présentent, au niveau
du bourrelet de soudage, une géométrie propice à l’apparition de fissures de fatigue, dû aux
vibrations et dilatations de l’ensemble. Ces fissures entraînent le risque de rupture totale du
composant. L’objectif de la thèse est d’établir un critère de non rupture par clivage de
structures minces soudées en acier ferritique, applicable aux structures réelles.

L’étude porte donc sur le comportement à rupture de structures minces soudées dans le
domaine haut de la transition fragile/ductile. Elle a pour objectif de développer le modèle en
contrainte seuil initialement développé par Chapuliot, qui permet de prédire la non-rupture par
clivage de cette structure soudée. Le modèle est identifié pour la soudure de l’acier au C-Mn
de construction nucléaire, en s’intéressant plus particulièrement à la limite supérieure du
domaine de transition.

Une contrainte seuil, en-dessous de laquelle le clivage ne peut avoir lieu, est identifiée à partir
d’essais de traction à basses températures sur éprouvettes axisymétriques entaillées prélevées
dans le joint soudé. Cette contrainte seuil permet de définir le volume seuil, ou volume dans
lequel les contraintes principales maximales dépassent la contrainte seuil au cours de l’essai.

L’analyse au MEB des faciès des éprouvettes rompues montre que la zone fondue brute de
solidification dans le métal déposé est la zone la plus susceptible de cliver. Un modèle aux
éléments finis multi-matériaux de la soudure est mise en place et permet d’estimer les
sollicitations au niveau des sites de clivage observés. La relation entre la probabilité de
rupture fragile et le volume seuil dans cette zone est établie via une fonction de sensibilité
grâce à des essais sur éprouvettes CT.

Le modèle ainsi identifié est testé pour prévoir la non rupture par clivage d’éprouvettes SENT
prélevées dans le joint soudé et sollicitées en traction. Les résultats obtenus sont
encourageants relativement à la transférabilité du modèle à la structure réelle.
tel-00578811, version 1 - 22 Mar 2011ABSTRACT

This work concerns the nuclear safety, specifically the secondary circuit integrity of
pressurized water reactors (PWR). The problem is that of the fracture of a thin tubular
structure in ferritic steel with many welded joints. The ferritic steel and weld present a
brittle/ductile tenacity transition. Moreover, the welds present geometry propitious to the
appearance of fatigue cracks, due to vibrations and expansions. These cracks may cause the
complete fracture of the structure. The objectives of this work are to establish a criterion of
non-fracture by cleavage of thin welded structures in ferritic steel, applicable to actual
structures.

Therefore, the present study focuses on the fracture behaviour of welded thin structures in
brittle/ductile transition. It aims at developing the threshold stress model initially proposed by
Chapuliot, to predict the non-brittle-fracture of this welded structure. The model is identified
for the welded joint in C-Mn steel for nuclear construction, specifically in the upper part of
the transition.

A threshold stress, below which the cleavage cannot take place, is identified using tensile tests
at low temperature on axis-symmetrical notched specimens taken in welded joint. This
threshold stress is used to define the threshold volume where the maximum principal stress
exceeds the threshold stress during the test.

The analysis by SEM of specimen fracture surfaces shows that the gross solidification molten
zone in the weld is the most likely to cleave. The relation between the brittle fracture
probability and the threshold volume in the gross solidification molten zone is established via
a sensitivity function, using multi-materials simulations.

The model thus identified is tested for the prediction of non-brittle-fracture of SENT
specimens taken in the welded joint and tested in tension. The results obtained are
encouraging with regards to the transferability of the model to the actual structure.
tel-00578811, version 1 - 22 Mar 2011














TABLE DES MATIERES








tel-00578811, version 1 - 22 Mar 2011NOTATIONS............................................................................................................... 3
INTRODUCTION ...............