Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'une convention CIFRE entre le Centre des Matériaux de l'Ecole des Mines de Paris et l'IFP. Je tiens tout particulièrement à remercier John YATES pour sa volonté de participer à mon jury de thèse et pour son déplacement privilégié à Paris à cette occasion.
Contexte industriel
Pour atteindre un niveau de sécurité plus élevé, il est nécessaire de comprendre dans quelles conditions une fissure initiée dans un pipeline peut s'arrêter rapidement. Pour cela, les spécifications requises pour l’acier des gazoducs assurent un niveau de résistance suffisant dans les conditions de service.
Eclatement de gazoducs
D´ecompression du gaz
L'équation I.2 est donnée pour un gaz monophasé, ce qui constitue une simplification de la réalité.
D´eformation du tube
Comportement en pointe de fissure
Pr´evision de l’´eclatement d’un gazoduc
Essais d’´eclatement de tubes et corr´elations
Déformation de la coque : pour déterminer l'énergie du gaz et l'énergie cinétique absorbée par la paroi du tuyau. En tenant compte de ces aspects, l’équation du taux d’énergie d’équilibre donne l’arrêt des fissures.
Mod`eles d’´eclatement de tubes
La propagation des fissures ne se produit que si l'on considère l'énergie disponible de la structure supportant la propagation des fissures par l'unité de surface de propagation de la fissure, est exactement égale à la dissipation d'énergie requise au fond de la fissure, Rf, par surface unitaire d'extension de fissure. Sinon, le modèle permet d'estimer le taux de propagation des fissures.
Fabrication de tubes soud´es longitudinalement
Les travaux de Palumbo et al [Palumbo et Tricarico, 2005] avec la modélisation 3D par éléments finis ont montré un rôle important pour l'étalonnage de la forme finale et la flexion longitudinale du tuyau. Il est donc intéressant de comparer les propriétés mécaniques de la tôle utilisée pour fabriquer un tube et les propriétés du tube fini.
Effet de la pr´e-d´eformation
Cela peut indiquer que l'initiation de la fracture ductile par décohésion est plus facile après une déformation préliminaire. Dans la littérature, il apparaît que les connaissances existantes sur l’effet de la pré-déformation sont contradictoires et dépendent du matériau considéré.
Objectifs de l’´etude
Mat´ eriaux de l’´ etude 29
Composition chimique
La composition chimique des deux plaques et de la canalisation est donnée dans le tableau II.1. Nous validons la soudabilité sous une valeur de carbone équivalente de 0,25% avec le coefficient Pcm utilisé par l'American Welding Society [Moriyasu et al., 1992].
Microstructure
Les MA sont des composés d'austénite qui n'ont pas été convertis en bainite (Fig. II.4b). Les observations au microscope optique montrent également que la microstructure de l'acier P1 est plus homogène et plus fine que celle de l'acier Tu.
Structure des tˆoles suivant l’´epaisseur
Caract´eristiques m´ecaniques de base
Etude des inclusions
- Nature des inclusions
- Analyse inclusionnaire
L’examen d’une population inclusive par l’analyse d’images fournit généralement une quantité d’informations beaucoup plus riche que la simple fraction de surface moyenne, la quantité que nous utilisons. Pour cela, on se référera utilement aux thèses de Benzerga [Benzerga, 2000] et Tanguy [Tanguy, 2001] pour des exemples d'études de populations d'inclusion (taille, répartition, distance entre inclusions, etc.
Conclusions
Essais de traction
L'évolution des déformations radiales dans le cas de la contrainte L de l'acier P1 est représentée sur la Figure III.4. La figure III.6 montre les mesures des réductions de diamètre dans la zone d'induction.
Essais de fatigue oligo-cyclique
Essais de d´eformation plane
Les courbes normalisées charge-allongement et épaisseur-charge réduction sont données respectivement dans les figures III.11 et III.12. Les figures III.13, III.14a et III.14b montrent la surface de rupture et la section longitudinale de l'éprouvette de déformation plane sous la force de traction T.
Etude exp´erimentale de la rupture
- Essais de traction sur ´eprouvettes entaill´ees
- Essais sur ´eprouvettes fissur´ees
- Essais de r´esilience
La valeur initiale de la fissure a0 permet de calculer la conformité théorique Ctheo pour l'échantillon pré-fissuré. Upl calculé à partir de l'aire sous la courbe P −δ η0 paramètre de pondération fonction de la géométrie. Un schéma de fracture de l'éprouvette Charpy V est donné sur la figure III.33a, où deux zones de propagation ductile peuvent être distinguées.
Le premier se trouve au centre de l'échantillon, où l'on observe de grandes sphères (Fig. III.33c).
Etude des m´ecanismes de rupture
- Proc´edure exp´erimentale
- R´esultats
La figure III.36 montre des photographies prises au centre des surfaces de rupture des éprouvettes AE des aciers P1 et Tu à l'aide d'un microscope électronique à balayage. On observe également la germination de petites cavités de la deuxième population, c'est à dire de l'AM et des carbures (Fig. III.40 d et e). Coalescence des cavités : Deux modes de coalescence : constriction interne (Fig. III.41a) et bande de localisation (Fig. III.41b et c) ont été observés.
Germination et croissance des cavités : Les cavités germent à partir de particules biphasées qui fusionnent la phase oxyde et la phase sulfure de calcium (Figure III.42a).
Conclusions
L'effet de la pré-déformation sur la limite d'élasticité (Rp0,2%) est représenté sur la figure IV.7. La figure VI.8 présente l'évolution de la vitesse de propagation en fonction de la longueur de la fissure. L'évolution de l'énergie dissipée lors de la propagation d'une fissure est donnée sur la figure VI.26 pour les deux maillages utilisés.
Le taux de triaxialité maximum, τ en fonction de la longueur de propagation de la fissure, est représenté sur la figure VI.28.
Mat´eriau de base
La caractérisation mécanique de l'acier P2 est réalisée sur la base d'essais de traction, d'essais de résilience et d'essais de ténacité. Le comportement anisotrope de l'acier P2 est caractérisé par des essais de traction réalisés dans les deux directions principales du plan de laminage (L et T). La ténacité de l'acier est déterminée sur les échantillons CT(05T) dont le plan est donné figure III.24.
Ces courbes permettent de déterminer la durabilité, J0,2 et la résistance à la rupture, dJ/da, de l'acier P2 à l'état initial qui sont données dans le tableau IV.3.
Pr´e-d´eformation
Propriétés en traction déterminées sur éprouvettes complètes pré-déformation. Pour déterminer les directions des éprouvettes de prédéformation, nous avons conservé les directions L et T de la tôle. Lorsqu'on compare ces résultats avec ceux obtenus sur les éprouvettes cylindriques, on constate que la limite élastique ainsi que la résistance à la traction déterminées lors du formage des éprouvettes avant essai sont plus élevées.
La plaque fait 3700 mm de large, il y a donc un gradient de propriétés mécaniques en fonction de la largeur de la plaque.
Effet de la pr´e-d´eformation sur les caract´eristiques de traction
L'effet de bord étant marqué dans la tôle étudiée, les propriétés de traction déterminées sur les échantillons de pré-déformation ont été retenues pour l'état initial (Tab. IV.4). Nous constatons que Rp0,2% augmente avec la pré-déformation pour les deux directions de contrainte L et T. L'effet de la pré-déformation sur Rp0,5% et sur la résistance à la traction, Rm, est similaire à celui sur la limite élastique. pour les deux directions.
La variation de Ar en fonction de la prédéformation est donnée sur la Figure IV.8.
Effet de la pr´e-d´eformation sur les propri´et´es m´ecaniques `a rupture
Ces courbes mettent en évidence un effet significatif de la pré-déformation sur les valeurs de ténacité. L'effet dommageable de la pré-déformation est donc particulièrement visible lorsque la fissure se propage dans le sens de la pré-déformation. Ces résultats montrent un effet néfaste de la pré-déformation à la fois sur la ténacité d'initiation, J0,2, et sur le module de rupture en traction, dJ/da.
C'est pour cette raison que dans le prochain chapitre consacré à la modélisation de la ductilité nous n'avons pas tenté de modéliser l'effet de pré-déformation.
Conclusion
- Comportement ´elastoplastique
- Anisotropie de comportement
- Effet de vitesse
- Validation sur ´eprouvettes de d´eformation plane
- Conclusions
Les paramètres du modèle sont identifiés par des essais de traction et des essais cycliques. Tous les paramètres d'écrouissage obtenus pour la direction T de l'acier P1 avec le critère de von-Mises sont donnés dans le Tableau V.2. Comparaison des courbes F/S0-∆L/L0 expérimentales (symboles) et calculées (traits pleins) avec les paramètres d'écrouissage donnés dans le tableau V.2 et avec le critère de von Mises.
Les paramètres du critère Source anisotrope obtenus sont reportés dans le tableau V.4.
Mod´elisation de l’endommagement ductile
- Mod`ele d’endommagement utilis´e
- Etude param´etrique
- Prise en compte de la germination
- Identification du mod`ele d’endommagement
- R´esultats
- Conclusions
Le paramètre δ affecte l'instant de chute de charge et la vitesse de propagation. La germination autour de la deuxième population de particules n’a pas été prise en compte dans le modèle de dommage utilisé. La simulation avec le modèle GTN-G a tendance à sous-estimer la ductilité de la direction L.
La nucléation autour de la deuxième population de particules n'est pas prise en compte dans le modèle.
Simulation de la localisation en d´eformation plane
Les courbes de charge calculées sont données sur la figure V.20 pour les deux tensions T et L. Ces deux modèles se distinguent clairement par le mode de défaillance qu'ils représentent. La figure V.21 montre l'évolution de la porosité dans la partie utile de l'échantillon lors du remplissage.
En r´esum´e
Ils dépendent du matériau, de l’épaisseur de la plaque et de la longueur de coupe. La conformité est donnée en fonction de la longueur de la fissure sur la Figure VI.6 pour une tôle P2 de 19 mm d'épaisseur. La courbe de chargement de l'échantillon, ainsi que l'évolution de la longueur de la fissure sont représentées sur la figure VI.9 en fonction du déplacement.
La figure VI.19 présente le front de rupture Mode I au moment de la transition.
D´ echirure Ductile Dynamique : Exp´ erience et Mod´ elisation 151
Pr´esentation de la machine d’essai
Une machine de traction horizontale de 4 000 kN disponible chez Arcelor Research est illustrée à la figure VI.1. Un ressort haute performance constitué d'un jeu de rondelles Belleville, d'une raideur de 3,57 107N/m, est inséré sur l'amarre, comme le montre le schéma de principe du dispositif (Figure VI.1).
Eprouvette de d´echirure ductile dynamique
D´eroulement de l’essai D3
Instrumentation de l’essai
R´esistance `a la propagation de fissure
R´esultats
- Analyse m´ecanique d’essais particuliers
- Ensemble des essais r´ealis´es
- Ensemble des r´esultats disponibles
- Modes de rupture
- Conclusions
L'évolution de la force, du déplacement et de la longueur de propagation de la fissure en fonction du temps est représentée sur les figures VI.7 a et b. Sur la figure VI.12 nous présentons l'évolution du taux de sténose à rupture en fonction de la position sur le ligament. Toutes les données sont présentées sur la figure VI.15 en fonction de la limite élastique des aciers examinés.
La longueur des fissures au cœur de la tôle est plus grande que dans la peau.
Simulation de la rupture des ´eprouvettes D3
- Maillages et mod`ele utilis´es
- R´esultats
Les courbes charge-déplacement ainsi que l'évolution de la longueur de propagation des fissures calculées avec deux mailles différentes (h= 200µm eth= 700µm) sont comparées aux courbes expérimentales de la Figure VI.25. La longueur numérique de propagation de la fissure est calculée au centre de l'éprouvette. Ensuite, τ diminue progressivement jusqu’à une valeur constante de 1,37 entre 35 mm et 120 mm de propagation de fissure.
La figure VI.29 montre l'évolution de ce paramètre Rtot en fonction de l'avancée de la fissure.
En r´esum´e
La fermeture des fissures s'est produite à des endroits favorables pour observer le développement des dommages pré-fissures. Ils permettent de présenter la forme du front de fissure et les principales caractéristiques de propagation de la fissure. La limite élastique de la tôle est inférieure à la valeur requise pour l'acier X100.
L'arrêt de la fissure est également reproduit à des endroits favorables pour observer l'évolution de l'endommagement pré-fissure.
Conclusions et Perspectives 187
I.2 R´esultats exp´erimentaux des aciers P1 et Tu
II II Effet de pr´ e-d´ eformation (compl´ ement) 213
II.2 R´esultats exp´erimentaux
III III Essais de D´ echirure Ductile Dynamique 223
III.2 Eprouvettes en acier P1
III.3 Eprouvettes en acier P2
