Bugat, Stéphane (2000) Comportement et endommagement des aciers austeno-ferritiques vieillis: une approche micromécanique. PhD thesis Sciences et génie des matériaux, Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP p.290.

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Abstract

Les aciers austéno-ferritiques sont employés dans le circuit primaire des centrales nucléaires REP. A la température de fonctionnement (320°C), ils sont sujet à un vieillissement lent, qui conduit à la fragilisation de la phase ferritique. Cette fragilisation entraîne une chute des propriétés mécaniques, en particulier de la résistance à la déchirure des aciers austéno-ferritiques;

L'endommagement et la rupture des aciers austéno-ferritiques avaient été abordés à l'ENSMP les des thèses de P. Joly (1992) et de L. Devilliers-Guerville (1998). Ces travaux ont permis de mettre en évidence une hétérogénéité de l'endommagement, qui induit une forte dispersion sur les ductilités et les ténacités ainsi que des effets d'échelle. Des modélisations incluant les cinétiques de germination de l'endommagement mesurées expérimentalement, ont permis de rendre compte de ces effets. Toutefois, elles ne considéraient pas le caractère biphasé du matériau, et n'intégraient pas de plus de modèle physique de germination des fissures de clivage apparaissant dans la ferrite fragilisée. Nous proposons dans cette étude une description du matériau permettant de traiter ces aspects, tout en autorisant le calcul de structure. Dans une première partie, le matériau est étudié. L'utilisation de l'ESBD permet de préciser la morphologie complexe de ces aciers, ainsi que les relations d'orientation cristallographiques entre les deux phases. Il est en outre montré que les deux phases conservent la même orientation cristalline dans des zones, appelées bicristaux, dont la taille varie entre 500 µm et 1 mm. L'étude des lignes de glissement, couplée à l'ESBD, permet également de préciser les modes de déformation des deux phases. Enfin, des essais de traction et de traction-compression à diverses amplitudes de déformations sont effectués afin de caractériser le comportement mécanique macroscopique de ces matériaux.

Cette première partie permet ensuite de proposer une modélisation micromécanique du comportement du matériau. Celle-ci prend en compte les trois échelles identifiées au chapitre précédent. La première échelle, correspondant aux lattes, est décrite comme un monocristal, dont le comportement comprend à la fois un écrouissage isotrope et cinématique. La deuxième, le biscristal, est représenté soit par une simulation par éléments finis sur un motif représentatif (en particulier tenant compte de la percolation des deux phases), soit par un modèle à champs moyens phénoménologique ajusté sur la simulation EF. La troisième, le poly-bicristal, représente l'agrégat de bicristaux, et est modélisé par des modèles classiques de polycristaux. Les différents paramètres du modèle sont identifiés sur les essais de traction monotone et de traction-compression.

L'endommagement est ensuite abordé. L'observation montre que les fissures de clivage apparaissent préférentiellement à l'intersection de deux bandes de glissement de la ferrite. Ces observations conduisent à proposer un modèle de type Cottrell pour représenter l'apparition du clivage. Ce modèle déterministe est ensuite étendu pour pouvoir rendre compte de la cinétique de germination. Il incluse à la fois un terme en contrainte et un terme en déformation, ces deux quantités étant calculées à partir du modèle micromécanique et de paramètres microstructuraux.

On définit par la suite une densité de fissures de clivage pour chacun des trois plans de clivage de la ferrite. L'endommagement est donc anisotrope et peut être représenté par un tenseur de dommage d'ordre 4. Un modèle simple de couplage, tenant compte du tenseur de dommage ,est proposé. Puis, la rupture finale est représentée par le critère de Thomason, qui décrit la coalescence des microfissures par ruine plastique des ligaments les séparant. L'ensemble du modèle d'endommagement est également implanté dans le code de calcul.

Finalement, le modèle complet (comportement et endommagement) est employé pour modéliser les polycristal endommageable, et pour simuler des petites éprouvettes de tractions ainsi que des éprouvettes entaillées testées en traction in-situ sous MEB.

Table of content

I - Introduction générale - 9

I.1 - Contexte industriel - 10

I.2 - Etat de la recherche - 13

I.2.1 - Suivi du vieillissement - 13

I.2.2 - Caractérisation mécanique du vieillissement - 13

I.2.3 - Observations - 13

I.2.4 - Modélisation - 14

I.3 - Démarche proposée - 15

Bibliographie - 17

II - Caractérisation des matériaux - 19

II.1 - Caractérisation microstructurale - 22

II.1.1 - Compositions, élaborations, microstructures - 22

II.1.2 - Analyse des orientations cristallographiques - 30

II.1.3 - Identification des modes de déformation - 45

II.2 - Caractérisation mécanique - 54

II.2.1 - Essais réalisés - 54

II.2.2 - Résultats - 58

II.2.3 - Discussion - 66

Bibliographie - 68

III - Modélisation micromécanique du comportement - 71

III.1 - Introduction - 74

III.1.1 - Les trois échelles de microstructure - 74

III.1.2 - Les méthodes d'homogénéisation - 75

III.1.3 - La procédure utilisée - 79

III.2 - Echelle 1: les lattes monocristallines - 82

III.2.1 - Elasticité - 82

III.2.2 - Modélisation du comportement plastique des monocristaux - 83

III.3 - Echelle 2: le bicristal - 86

III.3.1 - Motif représentatif - 86

III.3.2 - Optimisation du MCM - 98

III.4 - Echelle 3: Le poly-cristal - 104

III.4.1 - Modèles choisis - 104

III.4.2 - Identification - 105

III.5 - Résultats - 107

III.5.1 - Paramètres d'écrouissage optimisés - 107

III.5.2 - Interprétations - 112

III.6 - Autres utilisations possibles du modèle micromécanique - 114

Bibliographie - 115

IV - Essais micromécaniques - 119

IV.1 - Techniques expérimentales - 122

IV.1.1 - Eprouvettes - 122

IV.1.2 - Dépôt de grilles - 126

IV.1.3 - Analyse des grilles - 129

IV.1.4 - Traction in-situ - 131

IV.2 - Cartographies ESBD - 133

IV.3 - Résultats des essais - 138

IV.3.1 - Eprouvettes lisses - 138

IV.3.2 - Eprouvettes entaillées - 144

IV.3.3 - Eprouvettes de fissuration - 151

IV.4 - Discussion - 156

IV.4.1 - Effets d'échelle et d'orientation - 156

IV.4.2 - Germination de l'endommagement - 159

Bibliographie - 169

V - Modélisation de la germination et du comportement endommagé - 171

V.1 - Modélisation de la germination - 174

V.1.1 - Origine du clivage dans la ferrite - 174

V.1.2 - Proposition de modèle de germination - 177

V.1.3 - Calage et mise en œuvre du modèle de germination - 187

V.1.4 - Applications du modèle de germination - 191

V.2 - Modèle de couplage comportement-endommagement - 201

V.2.1 - Cadre du modèle - 201

V.2.2 - Définition du tenseur de dommage - 203

V.2.3 - Autre définition du dommage - 205

V.2.4 - Cas du multiclivage - 206

V.2.5 - Mise en œuvre numérique - 206

V.3 - Coalescence et Rupture - 208

V.3.1 - Adaptation du modèle de Thomason - 208

V.3.2 - Application au cas du Y4331 - 210

V.3.3 - Prise en compte numérique de la coalescence - 211

V.4 - Applications du modèle - 214

V.4.1 - Traction / Compression du Y4331 - 214

V.4.2 - Simulation des éprouvettes in-situ - 215

Bibliographie - 223

VI - Conclusion générale - 225

VI.1 - Résumé du mémoire - 225

VI.2 - Application pratique - 228

VI.2.1 - Evaluation du comportement - 228

VI.2.2 - Evaluation des taux de germination - 228

VI.3 - Perspectives - 231

VI.3.1 - Etudes paramétriques - 231

VI.3.2 - Etudes mécaniques - 231

VI.3.3 - Applications futures - 231

A.I - Moyens expérimentaux - 233

A.I.1 - Information ESBD - 234

A.I.1.1 - Principe - 234

A.I.1.2 - Caractéristiques de l'appareillage utilisé - 234

A.I.1.3 - Traitement de l'information - 234

A.I.2 - Préparation des échantillons - 235

A.II - Résultats expérimentaux - 237

A.II.1 - Résultats des essais de traction-compression - 238

A.II.2 - Analyse des taille de lattes - 247

A.II.3 - Calcul du diamètre moyen des fissures de clivage - 250

A.III - conventions - 253

A.III.1 - conventions sur les orientations des cristaux - 254

A.III.1.1 - Définition de la matrice d'orientation - 254

A.III.1.2 - Définition de la paire axe/angle - 254

A.III.1.3 - Calcul de la désorientation entre deux cristaux - 255

A.III.2 - Liste d'angles d'Euler - 255

A.III.2.1 - 24 variants d'austénite - 255

A.III.2.2 - Polycristal isotrope - 255

A.III.3 - Petites rotations de réseau pour le monocristal - 258

A.IV - Etudes et Développement de modèles - 259

A.IV.1 - Effet de pression - 260

A.IV.1.1 - Choix du motif de l'étude - 260

A.IV.1.2 - Résultats des simulations - 262

A.IV.1.3 - Discussion - 264

A.IV.2 - Déformation plastique de la ferrite - 267

A.IV.3 - Modèle de Mori-Tanaka sécant - 269

A.IV.3.1 - Cas de la traction - 269

A.IV.3.2 - Validation sur simulations E.F - 270

A.IV.4 - Approche variationnelle pour monocristal poreux - 276

A.IV.4.1 - Introduction - 276

A.IV.4.2 - Cas d'un monocristal visqueux - 276

A.V - Mises en œuvres numériques - 281

A.V.I - Multimat - 282

A.V.2 - Modèle de germination - 286

A.V.3 - Couplage comportement-endommagement - 287

Bibliographie - 289

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