Opération de recherches H´et´erog´en´eit´es et ruptures

Opération de recherchesHétérogénéités et rupturesAnimateur Clotilde BERDINParticipants Denis AUBRY, Philippe BOMPARD, Valliolah DJAFARI, Sylviane BOURGEOIS, Françoise GAR-NIER, Eric PERRIN, Nicolas ROUBIERDoctorants et Post-Docs : Haithem ADOUANI (04-07), Jeanne BELOTTEAU (04-07), Virginie CALONNE(01), Ming J. DONG (01), Christine FUNFSCHILLING (02-05), Méjido HAJJAJ (02-05), Petr HAU˘SILD (99-02), Anne LE PÊCHEUR (04-07)1 Activité scientifique1.1 ObjectifsCertaines applications nécessitent de considérer les phases d’endommagement et de prévoir la rupture des structurespour optimiser les dimensionnements, comme c’est le cas pour les structures de sécurité ou dans le cadre dela tolérance au dommage. Afin d’obtenir des prévisions fiables, on s’intéresse aux mécanismes d’endommagementdes matériaux et on met l’accent sur la relation entres ces mécanismes et l’hétérogénéité des microstructures.Les approches utilisées sont des approches locales couplées ou non au comportement. Le domaine d’étude desmécanismes de rupture s’étend de la rupture fragile à la rupture ductile en sollicitation macroscopique monotone,de l’endommagement diffus à la création et l’extension d’une macro-fissure. Il s’ouvre sur l’endommagementcyclique.1.2 Résultats principauxTransition ductile-fragile (thèse de P. HAU˘SILD) La prévision de la ténacité dans le domaine de la transitionductile-fragile reste un problème majeur car la dispersion des valeurs y est importante. Elle nécessite de modéliserla rupture par clivage en compétition avec la rupture ductile. De précédents travaux menés dans le cadre de l’approchelocale de la rupture ont permis de montrer que dans le bas de la transition, le modèle de Weibull identifiésur la distribution de résilience prédit correctement la ténacité [119, 156]. Cependant dans le domaine de la transition,la prise en compte de la déchirure ductile précédant la rupture par clivage (figure 15.1) ne suffit pas pourrendre compte des résultats expérimentaux. Elle permet par contre d’associer clairement la résilience à l’énergiede déformation plastique qui accompagne la déchirure [69]. Une étude précise de la microstructure du matériau etdes surfaces de rupture à l’aide de microscopies, d’EBSD et de stéréographie alliés à des calculs par E.F., indiqueque les mécanismes de clivage changent lorsque la température augmente [150]. L’hypothèse jusqu’ici implicited’uneseule population de défauts de clivage est alors levée en modifiant le modèle de Weibull [149]. La prévisionde la ténacité dans la transition est améliorée (figure 15.1). Cependant, ces modifications qui sont encore d’ordrephénoménologique doivent être appuyées par une modélisation plus fine du matériau (voir perspectives).Propagation et arrêt de fissure de clivage (thèse de M. HAJJAJ) Dans le cadre d’une ”défense en profondeur”des structures, on est amené à supposer l’amorçage d’un défaut. Dans ce cas, on cherche à déterminer les conditionsde propagation et d’arrêt de fissure. Le problème de la validité du concept de ténacité à l’arrêt est posé, ainsi quecelui de sa détermination. Différents types d’essais existent ; celui choisi ici est un choc thermique chaud sur disquefissuré, proposé par l’Ecole des Mines de Paris et adopté par EDF. Les essais indiquent que la fissure se propageà environ 600m.s −1 ; un ralentissement est noté avant l’arrêt. L’évaluation de la ténacité nécessite une analysethermomécanique de l’essai, ainsi que la prise en compte de la plasticité de la zone chaude, importante dans cetessai. Il n’y a pas d’interaction onde-fissure en cours de propagation, contrairement à d’autres essais utilisés pour

I.86 I – DOSSIER SCIENTIFIQUEFIG. 15.1: Macrographie de la surface de rupture d’une éprouvette de résilience, et modélisation de la déchirureductile par E.F. (modèle GTN) (gauche) ; Prévision de la ténacité en fonction de la température avec unmodèle de Weibull modifié (droite).évaluer la ténacité à l’arrêt [411]. La fissure s’arrête en clivage, sans changement de mode de rupture. Une zonede ”pré-arrêt” est cependant mise en évidence avec la présence de zones de cisaillement entre grains (figure 15.2)indiquant que le critère local de rupture n’est plus atteint sur tous les plans de clivage. Cependant, le front d’arrêtest assez régulier, ce qui suppose une faible dispersion des résistances locales au clivage et un comportementcollectif des grains en propagation, contrairement à l’hypothèse du maillon le plus faible classiquement adoptépour l’amorçage.FIG. 15.2: Zone de cisaillement reliant des zones de clivage (gauche) ; relief le long du chemin indiqué sur la photographieobtenu par stéréographie (droite).Endommagement d’un matériau viscoélastique à forte fraction de particules (thèse de C. FUNFSCHILLING)L’endommagement des matériaux plastiques est largement étudié et représenté par les modèles de Gurson ou Rousselieret leurs dérivés. On cherche ici à prédire le comportement jusqu’à la rupture d’un matériau viscoélastiquecomportant des particules élastiques. L’étude est développée pour des matériaux dits ”énergétiques” (propergolssolides ou explosifs), mais peut s’appliquer à tout type de polymères chargés par des particules de taille au moinsmicrométrique et dont l’endommagement se produit par décohésion interfaciale des particules et du polymère.L’approche choisie est de type micromécanique afin d’obtenir une loi de comportement dont le nombre de paramètresphénoménologiques identifiés sur des essais macroscopiques soit le plus faible possible [409]. La difficultéréside dans la non-linéarité introduite par l’évolution de l’endommagement. Par ailleurs, on souhaite àterme mettre en œuvre la loi dans un code de calcul par éléments finis, ce qui nécessite des choix adaptés à cesméthodes numériques. Finalement la pertinence de ces choix est évaluée par des calculs de microstructures (volumeélémentaire représentatif).Défauts et endommagementque :Dans l’étude des relations endommagement et microstructure, on a pu montrer

Hétérogénéités et ruptures I.87– les grosses inclusions, bien qu’à l’origine de concentration de contraintes, ne favorisait pas le clivage [67,150], contrairement à des idées avancées dans la littérature pour expliquer la dispersion des valeurs deténacité dans la transition. Cette dispersion a son origine dans l’évolution des micromécanismes de clivageassociés à la plasticité.– La présence d’un réseau d’inclusions (liserés eutectiques des alliages de fonderie, précipités et hydruresdes Zircaloys) diminue considérablement la ductilité et modifient le mécanisme classique de croissancecoalescence des cavités au profit d’un mécanisme de charge limite locale [6, 35].– La détermination des mécanismes d’endommagement par observation en surface nécessite une analyseadaptée pour quantifier les résistances des phases en jeu. Ainsi, on montre que l’état de contraintes dansune particule dépend de sa position vis-à-vis de la surface mais également de sa forme (figure 15.2) [15]. Cerésultat complète ceux de la littérature, en introduisant les aspects géométriques.FIG. 15.3: Modélisation d’une inclusion sphérique en surface (gauche) ; rapport de la contrainte principale maximalepour des particules en surface ou en volume (droite).1.3 PerspectivesPrévision du clivage– Amorçage : comme indiqué ci-dessus, les conditions d’apparition du clivage dans la transition doiventêtre précisées et l’échelle macroscopique n’est pas suffisante. On étudie l’influence des hétérogénéités dedéformation à l’échelle cristalline sur les conditions de développement du clivage. Ce travail s’inscrit dansle cadre d’une collaboration avec l’OR de C. REY.– Propagation et arrêt de fissure : si la rupture par clivage intervient, on cherche à déterminer les conditionsde propagation et d’arrêt de telles fissures à l’aide d’un critère intrinsèque ; ce travail doit conclure la thèsede M. HAJJAJ. Des outils numériques seront développés pour prédire ces phénomènes dans une structureindustrielle de grande taille dans le cadre de l’OR de B. TIE (thèse de H. ADOUANI), et on s’intéresseraaux propagations de fissures dans des matériaux à gradients de propriétés (gradient d’irradiation, ZAT ouségrégations).Endommagement ductile en présence de phénomènes de localisation On souhaite préciser les interactionsentre vieillissement dynamique dans les aciers ferritiques, et rupture ductile. Il s’agit en particulier de prévoirla ténacité dans le régime du vieillissement dynamique (thèse de J. BELOTTEAU). La détermination de l’échellepertinente de description des phénomènes conduit à une collaboration avec l’OR de C. PRIOUL.Endommagement cyclique par fatigue thermomécanique On souhaite mettre en place une «approche locale»de l’amorçage du réseau de fissures par une meilleure description des états mécaniques en surface, aux différenteséchelles (thèse de A. LE PÊCHEUR).2 Bilan scientifique2.1 FormationThèses soutenues– Petr HAU˘SILD, sept. 2002, ”Transition ductile-fragile dans un acierfaiblement allié”.

I.88 I – DOSSIER SCIENTIFIQUEThèses en cours– Christine FUNFSCHILLING, (CIFRE SME, co-encadrement LMSSMat C. BERDIN, D. AUBRY, début janv.2003), ”Endommagement des élastomères chargés”.– Méjido HAJJAJ, (CIFRE EDF, co-encadrement LMSSMat C. BERDIN, P.BOMPARD, début sept. 2002), ”Propagationet arrêt de fissure dans les cuves REP”.– Jeanne BELOTTEAU, (CIFRE EDF, co-encadrement LMSSMat C. BERDIN, C.PRIOUL et Centre des Matériaux,ENSMP avec S. FOREST, début sept. 2004), ”Endommagement ductile en présence de vieillissement dynamique”.– Haithem ADOUANI, (BDI co-financée EDF, co-encadrement LMSSMat C. BERDIN,B. TIE, début sept.2004), ”Modélisation de la propagation instable et limitée de fissure dans les zones locales fragiles”.– Anne LE PÊCHEUR, (CIFRE EDF, co-encadrement LMSSMat P. BOMPARD, M. CLAVEL, début octobre2004, ”fatigue thermomécanique des aciers inoxydables et prise en compte des états de surface”.Post-doctorats– Ming Jing DONG, (collaboration LMSSMat/EDF, co-encadrement C. BERDIN, P. BOMPARD), 1 an, janv.2002,”Etude du pop-in”,– Virginie CALONNE, (collaboration LMSSMat/EDF, encadrement C. BERDIN, 1 an, mars 2002, ”Prévisiondes grandes déchirures dans les aciers austéno-ferritiques moulés”.2.2 CollaborationIndustries– EDF R&D, département MMC, modélisation et prévision de la rupture (thèses de P. HAU˘SILD, M. HAJJAJ,H. ADOUANI, J. BELOTTEAU)– Renault/DIMAT– SME (thèse de C. FUNFSCHILLING)Fédération F2M2SP– Groupe d’étude ”Endommagement des matériaux et des structures”.– Groupe d’étude ”Comportement dynamique des matériaux et rupture dynamique des structures”.Groupes de travail– ”Groupe de travail Charpy instrumenté” (SF2M) : étude numérique de la modélisation de l’essai Charpy dansla transition ductile-fragile (EDF/MMC, CEA/SEMT, ENSMP/Centre des Matériaux et ECP/LMSSMat),– ESIS (European Structural Integrity Society) : TC8, Committee on Numerical Methods.2.3 Publications principales– A. ROSSOLL, C. BERDIN, C. PRIOUL, 2002, ”Determination of the fracture toughness of a low alloy steelby the instrumented Charpy impact test”, Int. J. Fract., 115, 205-226.– C. BERDIN, P. HAU˘SILD, 2002, ”Damage mechanisms and local approach to fracture, part. I, Ductile fracture”,in Transferability of fracture mechanical characteristics, eds Dloúhy, Kluwer academic publishers,167-180.– C. BERDIN, A. OUGLOVA, R. DOGLIONE, V. DJAFARI, 2003, ”Secondary foundry alloy and particle fracture”,Mat. Sc. Eng., A357, 328-336.– S. ARSENE, J. BAI, P. BOMPARD, 2003, ”Hydride Embrittlement and Irradiation Effect on the Hoop MechanicalProperties of PWR and BWR Zircaloys Cladding Tubes”, Metal. Trans., 34A, 579-601.2.4 Moyens financiersContrats CNRS, financement ministère– 1 Bourse BDI co-financée EDF,– 3 Bourses CIFRE EDF,– 1 Bourse CIFRE SME.Contrats industrielsEDF, Renault, SME.