Haddar, Nader (2003) Fatigue thermique d'un acier inoxydable austénitique 304L: simulation de l'amorçage et de la croissance des fissures courtes en fatigue isotherme et anisotherme. PhD thesis Sciences et Génie des Matériaux, ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP p.277.

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Abstract

Les canalisations coudées des circuits de refroidissement des centrales thermiques sont soumises à des fluctuations thermiques de faible amplitude et de fréquence variable. Ces fluctuations associées aux variations de température des fluides présentent un risque de fissuration et de fuites. Afin de prévenir de tels risques, EDF a lancé le programme CRECO RNE 808, "Fatigue thermique des aciers inoxydables austénitiques 304L" pour étudier expérimentalement sur élément de volume, l'amorçage et le début de propagation des fissures en fatigue thermique dans les aciers inoxydables austénitiques. L'objectif est de comparer le comportement et l'endommagement du matériau en fatigue mécano-thermique (cyclage en température + cyclage en déformation) et en fatigue isotherme et est orienté sur le problème RRA, dans lequel les conditions extrêmes ont été déterminées par EDF pour le métal Tmax = 165°C et Tmin = 90°C et où la fréquence des fluctuations thermiques peut atteindre un Hertz. Une sollicitation thermomécanique sur élément de volume est nécessaire en effet pour simuler la fatigue thermique des zones critiques d'une structure. Des essais de fatigue isotherme, aux deux températures extrêmes du cycle thermique, ont montré un comportement similaire du matériau et un effet du module sur la réponse mécanique du matériau. On n'a pas constaté de réelle différence de durée de vie entre les deux températures étudiées pour des amplitudes de déformation mécanique supérieures à 0,18% alors que pour des faibles amplitudes de déformations la durée de vie du matériau diminue quand la température augmente. Des essais de fatigue mécano-thermique réalisés sur des éprouvettes prélevées dans une bride de barrière thermique et d'autres sur une tôle ne montrent pas de différence que ce soit de point de vue comportement ou durée de vie pour des amplitudes de déformations mécaniques supérieures à 0,18%. Dans le but d'étudier l'effet de la contrainte moyenne, induite par pré-écrouissage cyclique, sur la durée de vie du matériau, des essais ont été réalisés sur des éprouvettes pré-écrouies cycliquement à l'ambiante à ±1%. Une première comparaison des deux essais réalisés sur matériau pré-écroui ne montre pas de différence entre le chargement mécano-thermique et isotherme à 165°C que ce soit en terme de comportement ou de durée de vie. Un effet de la contrainte moyenne (préécrouissage monotone à l'ambiante) a été mis en évidence en fatigue isotherme à 165°C, avec une réduction importante de la durée de vie sur le digramme Dep/2 = f(Nf). Sous sollicitations mécano-thermiques, la durée de vie sur matériau pré-écroui est plus importante que dans des conditions isothermes à 165°C. Une étude du comportement en relaxation du matériau entre 50 et 250°C a montré la présence de deux stades de relaxation: un premier stade pendant lequel le matériau se relaxe rapidement avec une viscosité indépendante de la température et de la déformation plastique cumulée, et un deuxième stade pendant lequel la contrainte macroscopique varie peu dans le temps. L'étude a montré que la capacité de relaxation du matériau diminue quand la température augmente de 50 à 250°C: le matériau présente donc une anomalie de comportement marquée dans ce domaine de températures. Un pré-écrouissage cyclique à l'ambiante à ±1% diminue le taux de relaxation du matériau à 50°C et fait apparaître une troisième stade de relaxation du matériau avec une viscosité plus importante. Un pré-écrouissage monotone à l'ambiante jusqu'à une contrainte maximale de 500MPa, réduit encore plus le taux de relaxation du matériau à 50 qu'à 250°C. Les essais de fatigue mécano-thermique à grand nombre de cycles (106 cycles et au delà) conduisent à des durées d'essais pouvant dépasser un an. Afin d'explorer, néanmoins, l'effet de l'amplitude de déformation dans ce domaine de durée de vie, et compte tenu du fait que sur site les premiers stades d'amorçage se produisent dans des zones superficielles perturbées, nous avons réalisé des essais de propagation de fissures courtes à partir d'une entaille (longueur 2a = 0.5mm) en plasticité généralisée en contrôle de déformation mécanique, comme sur élément de volume. Un modèle de durée de vie est introduit au dernier chapitre. Le calcul est basé sur les résultats des essais de fissuration en plasticité généralisée décrite dans le chapitre 6. En premier lieu un modèle de comportement cyclique est identifié aux deux températures 90 et 165°C.

La deuxième partie s'intéresse au calcul de durées de vie. À travers une représentation énergétique des résultats, nous avons discuté la validité du modèle de durée de vie en nous basant sur une analyse assez simplifiée. Deux approches sont présentées, avec pour chaque cas une comparaison des durées de vie expérimentales aux durées de vie obtenus expérimentalement en fatigue isotherme à 90 et 165°C et en fatigue mécano-thermique. Le modèle de durée de vie retenu a été validé en fatigue isotherme à 90 et 165°C ainsi qu'en fatigue mécano-thermique.

Table of content

INTRODUCTION GÉNÉRALE - 5

INTRODUCTION - 5

ENJEU INDUSTRIEL - 6

OBJECTIF DE L'ÉTUDE - 8

I PRÉSENTATION DU MATÉRIAU - 10

I.1 INTRODUCTION - 11

I.2 TRAITEMENT THERMIQUE - 11

I.3 ANALYSE CHIMIQUE - 11

I.4 CARACTÉRISTIQUES MÉTALLURGIQUES - 12

I.4.1 Taille de grain - 12

I.4.2 Teneur en ferrite - 13

I.4.3 Transformation martensitique - 15

I.5 CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DE TRACTION - 17

EN RÉSUMÉ - 19

II MÉTHODES EXPÉRIMENTALES - 20

II.1 ESSAIS DE FATIGUE ISOTHERME - 21

II.1.1 Les éprouvettes de fatigue isotherme - 23

II.1.2 Instrumentation de l'essai - 23

II.2 ESSAIS DE FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE - 24

II.2.1 L'éprouvette de fatigue mécano-thermique - 24

II.2.2 Description de l'essai de fatigue mécano-thermique - 25

II.2.3 Forme du cycle mécano-thermique - 26

II.3 ESSAIS DE FISSURATION EN PLASTICITÉ GÉNÉRALISÉE - 30

II.3.1 Principe de l'essai - 30

II.3.2 Instrumentation des éprouvettes - 31

II.4 ÉCROUISSAGE CYCLIQUE - 31

II.5 ESSAIS DE RELAXATION - 33

II.5.1 Les éprouvettes de relaxation - 33

II.5.2 Description de l'essai de relaxation - 34

II.6 EN RÉSUMÉ - 36

III COMPORTEMENT EN FATIGUE DE L'ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L - 37

III.1 COMPORTEMENT EN FATIGUE ISOTHERME DE L'ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L - 38

III.1.1 Introduction - 38

III.1.2 Rappels bibliographiques - 38

III.1.3 Résultats expérimentaux - 45

III.1.4 Durées de vie du 304L en fatigue isotherme - 61

III.2 COMPORTEMENT EN FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE DU 304L - 69

III.2.1 Introduction - 69

III.2.2 Rappels bibliographiques - 69

III.2.3 Comportement de l'acier inoxydable austénitique 304L en fatigue mécano-thermique - 72

III.2.4 Durée de vie du 304L en fatigue mécano-thermique - 87

III.3 ENDOMMAGEMENT DE L'ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L

III.3.1 Fatigue isotherme - 91

III.3.2 Endommagement en fatigue mécano-thermique - 96

III.4 EN RÉSUMÉ - 100

IV INFLUENCE DU PRÉ-ÉCROUISSAGE SUR LE COMPORTEMENT ET LA DURÉE DE VIE DU 304L - 101

INTRODUCTION - 102

IV.2 PRÉ-ÉCROUISSAGE CYCLIQUE À TEMPÉRATURE AMBIANTE - 102

IV.2.1 Principe de l'essai - 102

IV.2.2 Fatigue isotherme à 165°C - 102

IV.2.3 Fatigue mécano-thermique hors-phase - 105

IV.2.4 Effet de la sollicitation mécano-thermique sur le comportement cyclique du matériau préécroui en fatigue à 25°C - 106

IV.3 PRÉ-ÉCROUISSAGE MONOTONE À TEMPÉRATURE AMBIANTE - 108

IV.3.1 Principe du pré écrouissage - 108

IV.3.2 Fatigue isotherme à 165°C - 109

IV.3.3 Fatigue mécano-thermique - 111

IV.4 INFLUENCE DU PRÉ-ÉCROUISSAGE SUR LA DURÉE DE VIE DE L'ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L - 114

IV.5 EN RÉSUMÉ - 122

V COMPORTEMENT EN RELAXATION DE L'ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L - 123

V.1 CARACTÉRISTIQUES D'UN ESSAI DE RELAXATION - 124

V.1.1 Les différents types de machines - 124

V.1.2 Essai de relaxation idéal - 124

V.2 EFFET DE LA TEMPÉRATURE SUR LE COMPORTEMENT EN RELAXATION DE L'ACIER INOXYDABLE AUSTENITIQUE 304L - 129

V.2.1 Rappels bibliographiques - 129

V.2.2 Résultats expérimentaux à ˙ech =10-5s-1 - 131

V.2.3 Taux de relaxation - 134

V.2.4 Vitesses de déformation plastique - 136

V.2.5 Volumes d'activation - 140

V.3 INFLUENCE DE LA VITESSE DE CHARGEMENT SUR LE COMPORTEMENT EN RELAXATION DU 304L À 50°C - 148

V.3.1 Taux de relaxation - 150

V.3.2 Vitesses de déformation plastique - 151

V.3.3 Volumes d'activation - 151

V.4 EFFET DU PRÉ-ÉCROUISSAGE SUR LE COMPORTEMENT EN RELAXATION DU 304L - 153

V.4.1 Introduction - 153

V.4.2 Procédures expérimentales - 153

V.4.3 Relaxation des états écrouis à 50°C - 155

V.4.4 Relaxation de l'état écroui à 250°C - 158

V.4.5 Effet de la température sur la relaxation du matériau pré-écroui en chargement monotone - 160

V.4.6 Vitesses de déformation plastique et volumes d'activation - 161

V.5 EN RÉSUMÉ - 164

VI FISSURATION EN PLASTICITÉ GÉNÉRALISÉE DE L'ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L?: FISSURES COURTES - 165

VI.1 INTRODUCTION - 166

VI.2 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX - 166

VI.2.1 Fissuration en plasticité généralisée?: Fissures courtes - 166

VI.2.2 Fissuration de l'acier inoxydable austénitique 304L sous sollicitations mécano-thermiques - 173

VI.2.3 Comparaison isotherme - anisotherme - 174

VI.2.4 Effet du pré-écrouissage monotone sur la cinétique de fissuration du 304L - 175

VI.3 ENDOMMAGEMENT EN PLASTICITÉ GÉNÉRALISÉE SUR L'ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE 304L À MOYENNE TEMPÉRATURE - 184

VI.4 EN RÉSUMÉ - 187

VII MODÉLISATION ET DISCUSSION - 188

VII.1 INTRODUCTION - 189

VII.2 DÉMARCHE DE CALCUL DES DURÉES DE VIE À PARTIR DES ESSAIS DE FISSURATION - 189

VII.3 RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES - 192

VII.4 LES DIFFÉRENTES APPROCHES DE CROISSANCE DE FISSURES COURTES EN PLASTICITÉ GÉNÉRALISÉE - 193

VII.4.1 Utilisation de concept de mécanique de la rupture élasto-plastique - 193

VII.4.2 Solution énergétique dans le cas d'une fissure 2D - 195

VII.4.3 Solution énergétique dans le cas d'une fissure circulaire - 199

VII.4.4 Modèle de Tomkins de propagation d'une fissure 2D en fatigue? - 201

VII.5 IDENTIFICATION DE LA LOI DE COMPORTEMENT EN FATIGUE - 205

VII.5.1 Loi de comportement - 205

VII.5.2 Paramètres et validation de la loi de comportement - 207

VII.6 ANALYSE DES COURBES DE FISSURATION DA/DN-J CYCLIQUE

VII.6.1 Essais de propagation à 165°C - 212

VII.6.2 Essais de propagation à 90°C - 216

VII.7 APPLICATION AU CALCUL DE DURÉE DE VIE - 218

VII.7.1 Calcul à partir de la loi de fissuration da/dN - Jcyclique - 219

VII.7.2 Modèle mixé da/dN - Jcyclique et Tomkins - 230

VII.7.3 Modèle de durée de vie à 165°C - 234

VII.7.4 Durées de vie en fatigue isotherme à 90°C - 236

VII.7.5 Validation du modèle de durée de vie en fatigue mécano-thermique hors-phase 90 - 165°C - 237

VII.8 LIMITES DU MODÈLE - 238

EN RÉSUMÉ - 240

CONCLUSIONS - 241

PERSPECTIVES - 243

REFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES - 245

VIII FATIGUE THERMIQUE - 256

VIII.1 INTRODUCTION - 257

VIII.2 PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE - 258

VIII.2.1 Les éprouvettes de fatigue thermique - 258

VIII.2.2 Définition des conditions expérimentales - 258

VIII.3 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX - 260

VIII.3.1 Étalonnage thermique - 260

VIII.3.2 Essai d'amorçage en fatigue thermique - 260

VIII.3.3 Essai de propagation en fatigue thermique - 261

VIII.4 PERSPECTIVES - 262

VIII.5 EN RÉSUMÉ - 263

IX CALCUL THERMIQUE SUR ÉPROUVETTE SPLASH - 271

IX.1 INTRODUCTION - 271

IX.2 MÉTHODE DE CALCUL - 271

X ANNEXE C - 275

X.1 RELAXATION DE L'ÉTAT VIERGE - 275

X.2 RELAXATION DES ETATS PRE-ECROUIS - 276

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