L’objectif de la thèse est la prédiction de la propagation et de l’arrêt de fissure de clivage dans un acier de cuve de type 16MND5 par un critère local en contrainte critique, calculé en pointe de fissure. Les travaux précédents ont montré que le mécanisme de rupture était du clivage,associé à des zones de cisaillement ductile entre les différents plans de fissuration. Ceci explique la dépendance de la contrainte critique de rupture à la vitesse de déformation en pointe de fissure du fait du comportement visqueux des aciers ferritiques aux vitesses de propagation considérées. Cette thèse consiste à optimiser la méthode numérique mise en oeuvre pour simuler la propagation dynamique de fissure, identifier et valider un critère local de propagation et d’arrêt sur des chargements thermomécaniques complexes, rendre compte des trajets de fissuration variés, et approfondir les connaissances sur les micro-mécanismes physiques de la rupture pour renforcer le contenu physique du critère utilisé.L’identification du critère de propagation et d’arrêt a été faite par la simulation numérique des essais de rupture fragile réalisés sur des éprouvettes CT25 à quatre températures (-150°C, -125°C, -100°C et -75°C). La méthode des éléments finis étendus (X-FEM) a été utilisée dans le code de calcul CAST3M pour ces modélisations. Les résultats des analyses en 2D et 3D ont montré que la contrainte critique de rupture augmentait avec la vitesse de déformation plastique et ils ont donc permis d’établir un critère de propagation et d’arrêt basé sur cette contrainte.Une formulation analytique du critère a été développée pour justifier le critère identifié. La contrainte critique du critère a été considérée comme la somme de la contrainte critique de clivage et de la contrainte générée par la déformation des ligaments (ponts de matières résistants sollicités en cisaillement) en arrière du front de la fissure. Afin de quantifier ce phénomène, des mesures de caractérisations des ligaments ont été effectuées sur les faciès de rupture et sur les coupes transversales des éprouvettes. Le profil de contrainte sur les lèvres de la fissure, généré par les ligaments tendant à résister à l’ouverture de la fissure, a été calculé à l’aide de modélisations éléments finis de multifissures représentatives de la géométrie réelle de la fissure observée sur une coupe transversale. Ceci a permis d’obtenir la contribution de l’effort des ligaments à la contrainte critique en pointe de fissure, et de développer ensuite une formulation analytique pour la contrainte critique. La courbe de la formulation analytique présente un très bon accord avec le critère empirique identifié.Afin de tester la pertinence de ce critère, la prédiction de la propagation et de l’arrêt de fissure a d’abord été menée sur des essais isothermes, à la fois sur des éprouvettes CT25 (la fissure étant sollicitée en mode I) et ensuite sur des anneaux fissurés sollicités en mode mixte. Les résultats numériques des prédictions ont présenté une bonne cohérence avec les expériences.Ceci montre la pertinence du critère sous chargement isotherme. Pour étudier la propagation et l’arrêt de fissure sous choc thermique, un essai a ensuite été réalisé sur un anneau fissuré. Le chargement pour l’essai est plus complexe avec un couplage des chargements mécaniques et thermiques. La prédiction par le critère a été effectuée en 2D et en 3D. Les résultats prédits sont de bonne qualité en termes de cinétique de propagation et de longueur de fissure à l’arrêt. Ceci complète la validation du critère sous chargement thermomécanique.En parallèle, des expériences ont été menées sur des éprouvettes CT25 rallongées (de même hauteur qu’une CT25 mais de largeur double), présentant une bifurcation de la trajectoire de la fissure. [...] / The purpose of this PhD study is to predict the propagation and arrest of cleavage cracks in a French PWR vessel steel (16MND5). This is accomplished through use of a local criterion based on the critical stress calculated ahead of crack tip. Previous work has shown that fracture mechanism was cleavage associated with the ductile shear zone between the different planes of cracking. Thus, the critical stress at crack tip depends on stain rate. This thesis consists ofnumerical optimization, identification and validation of a local criterion based on experimentswhich have complex thermomechanical loads. The criterion accounts for various crack paths,deepening the knowledge about micro mechanisms during crack propagation in order to justify the established criterion.Criterion identification was carried out by using numerical simulations of tension tests performed on CT (Compact Tension) specimens at four different temperatures (-150°C, -125°C,-100°C and -75°C). The eXtended Finite Element Method (X-FEM) was used in CAST3M FEsoftware to model dynamic crack propagation and arrest. The analysis results in 2D and 3Dshowed that the critical stress at crack tip increased with the inelastic strain rate. Therefore, acriterion based on the critical stress was established. An analytical model was developed to justify the identified criterion. The critical stress givenby the local criterion was considered as the sum of the critical cleavage stress and the stress generated by the deformation of ligaments behind the crack tip. In order to quantify this phenomenon, measurements of ligaments’ characteristics have been performed on facture surfaces and on cross-sections of the specimens. The stress profile of the crack lips generated by ligaments was calculated by modeling of multi-cracks on specimen’s cross-section. The contribution of stress generated by ligaments to the critical stress at crack tip was obtained with this method, and then the analytical model of the critical stress was developed. The results of this analytical model is in good agreement with the empirical criterion identified.In order to test the validity of the identified criterion, the prediction of the crack propagation and arrest by the criterion was first performed for isothermal tests. It was performed both onCT25 specimens (crack was solicited in mode I) and on ring specimens in mixed mode loadingwhich were carried out at three different temperatures. The numerical results of prediction were in good agreement with experiments. They showed the validity of the criterion for experiments under isothermal loading for two different specimen geometries. In order to test the validity of criterion for the situation of thermal shock, experiments were carried out on ring specimens. At first, one ring specimen was cooled down to -150°C, and then hot water (≈90°C) was injected through the inner side of the ring specimen. At the same time of thermal shock, this specimen was submitted to a mechanical compressive loading (-750kN). The prediction of crack propagation and arrest by the criterion for this situation was calculated in both 2D and 3D. The predicted results were in good agreement with experiments for both crack speed and crack length. This confirmed that the criterion is relevant to predict the crack propagation and arrest for thermal shock.In parallel, some experiments were performed on extended CT25 specimens (same height but double the width of the CT25 specimen). The crack path on this kind of specimen was curved.A statistical effect by a random selection in the propagation direction was introduced to takeinto account the instability during the crack propagation. The numerical results correctlyreproduce the curvature and the dispersion of the crack paths.

Cette thèse porte sur l'analyse d'un phénomène particulièrement important dérivant des conséquences mécaniques des transformations de phases solide-solide dans les aciers : la plasticité de transformation ou TRIP (Transformation Induced Plasticity) et son interaction avec la plasticité classique. Ce sujet est abordé à la fois par des investigations expérimentales et par une approche de modélisation numérique, pour les transformations martensitiques. / This thesis concerned with the analysis of a particularly important phenomenon which corresponds to one of the mechanical consequences of solid-solid phase transformations in steels: the transformation plasticity or TRIP (TRansformation Induced Plasticity) and its interaction with classical plasticity. This subject is addressed from the point of view of experimental investigations as well as with a nuimerical modelling approach, concerning martensitic transformations.

L'acier 16MND5 ou A508 Cl3 est utilisé pour la fabrication par forgeage des cuves de réacteurs nucléaires à eau sous pression. <br />Ce matériau présente un bon compromis en terme de ténacité et de limite d'élasticité, sa microstructure est principalement bainitique revenue. Du fait de la variation locale de la composition chimique et du procédé d'élaboration, ce matériau présente des hétérogénéités microstructurales qui peuvent modifier localement les propriétés du point de vue de l'endommagement. En particulier, certaines zones présentent une microstructure martensitique dont les propriétés à la rupture sont différentes de celles de la bainite.<br />Le but de cette thèse est d'apporter quelques éclaircissements sur l'influence de la microstructure ; plus particulièrement, la taille des entités cristallographiques et leur distribution spatiale sur le comportement local de l'acier 16MND5.<br />Deux microstructures ont été élaborées à cet effet ; une microstructure bainitique revenue et une microstructure martensitique revenue. Une caractérisation expérimentale a été réalisée sur les deux microstructures afin de déterminer la morphologie, la distribution spatiale des orientations cristallographiques et le comportement en traction.<br />Un dépôt de grille a été effectué sur des éprouvettes de traction plates pour permettre de déterminer le champ déformation expérimental sur une zone préalablement analysée en EBSD.<br />La détermination du comportement en traction a permis l'identification à l'aide d'une méthode inverse d'une loi de comportement multicristalline faisant intervenir la densité de dislocation sur chaque système de glissement. Cette loi de comportement a été utilisée dans des simulations à l'aide de la méthode des éléments finis pour simuler le comportement des deux microstructures en traction et comparer aux champs de déformations expérimentaux de celles-ci. Il en résulte une bonne adéquation entre les simulations et les expériences et la mise en évidence de l'influence de l'orientation des grains voisins sur le comportement local.

Les aciers faiblement alliés sont utilisés dans les réacteurs nucléaires pour la réalisation de différents équipements. Soumis à une irradiation neutronique induite par le fonctionnement du réacteur, ces matériaux présentent des évolutions notables de leur microstructure, avec en particulier l'apparition de défauts d'irradiation comme des boucles interstitielles, des amas lacunaires et des précipités, qui conduisent à un durcissement et une fragilisation en relation directe avec la dose reçue et le flux neutronique. Le comportement en plasticité hors irradiation des aciers bainitiques faiblement alliés a fait l'objet de plusieurs modélisations élaborées à partir d'observations expérimentales et de modélisations à l'échelle atomique. Plusieurs thèses ont été supportées par EDF et le CEA dans le passé. Ce travail se place dans leur prolongement, et adopte une démarche classique, en utilisant des éléments expérimentaux connus, mais il se place de façon déterminée à l'échelle de la microstructure, et cherche à intégrer un maximum d'informations de métallurgie physique. C'est dans cet esprit que sont introduites des microstructures réalistes en termes de morphologie et d'orientation cristalline, et qu'on adopte un modèle de plasticité cristalline en grandes déformations basé sur les densités de dislocations. Ce choix permet de prendre en compte dans les lois de plasticité les interactions entre dislocations et défauts d'irradiations pour des conditions de chargements sévères. Ces lois sont introduites dans le code de calcul par éléments finis ZéBuLoN afin de réaliser des calculs d'agrégats polycristallins aux propriétés représentatives d'un élément de volume macroscopique. Les résultats obtenus sur un tel agrégat sont donc considérés comme une donnée élémentaire dans la manipulation des modèles de rupture fragile sur des structures. La nouvelle approche développée a un statut d'approche locale micromécanique".

Cette thèse porte sur l'analyse d'un phénomène particulièrement important dérivant des conséquences mécaniques des transformations de phases solide-solide dans les aciers : la plasticité de transformation ou TRIP (Transformation Induced Plasticity) et son interaction avec la plasticité classique. Ce sujet est abordé à la fois par des investigations expérimentales et par une approche de modélisation numérique, pour les transformations martensitiques.

Ce travail de thèse concerne l’acier 16MND5 des cuves des Réacteurs à Eau Préssurisée (REP).L’étude vise à caractériser de manière quantitative la microstructure et à comprendre l’effet desparamètres influents (vitesse de refroidissement, température de revenu …) sur sa formation. D’unpoint de vue expérimental, l’étude est menée grâce à l’utilisation des techniques d’observationcomme la métallographie, le MET, MEB et l’EBSD, et la réalisation de traitements thermiquescontrôlés (dilatométrie notamment).Ces observations visent à identifier les différents constituants de l’acier et de déterminer lesgrandeurs quantitatives les caractériser (tailles, fractions volumiques des différentes phases ainsique leurs orientations cristallographiques).Nous avons dans un premier temps caractérisé de manière complète et quantitative, lamicrostructure de l’acier 16MND5 à l’état de réception (trempé et revenu). L’étude a permis demontrer qu’il existe un gradient de microstructure entre la peau interne et le coeur de l’épaisseur dela virole. La microstructure à coeur est constituée de ferrite proeutectoïde, de bainite et d’amas decarbures, tandis qu’en peau interne on est en présence de bainite et d’amas de carbures.Une campagne d’essais de dilatométrie a été réalisée afin de simuler la microstructure brute detrempe de l’acier 16MND5 et d’observer l’effet de la vitesse de refroidissement, des températuresde transformation sur la microstructure des aciers de cuve. Ces essais ont révélé que lamicrostructure de l’acier 16MND5 après refroidissement est constituée de bainite, d’îlots demartensite et d’austénite résiduelle (M-A) enrichie en carbone. Ce sont ces îlots M-A qui donnentnaissance aux amas de carbures lors du revenu final.L’effet de la composition chimique de cet acier a été étudié grâce à l’utilisation d’une tôle ayant unecomposition chimique plus riche en carbone et en éléments d’alliages. Ce travail a montré quel’augmentation des teneurs en carbone et en éléments d’alliages modifiaient la morphologie et lacristallographie de la ferrite.L’étude des comportements mécaniques des constituants présents en peau interne, quart épaisseur etmi épaisseur a été réalisée grâce à des essais de résilience sur des éprouvettes de mini charpy. Cetteétude a permis de montrer qu’à basse température (-120°C) la peau interne présente de meilleurespropriétés de résilience que le quart et la mi épaisseur de la virole. Des examens de la surfacelatérale des éprouvettes de Charpy ont montré que la présence de ferrite proeutectoïde favorise lagermination de micro-fissures de clivage. / Reactor pressure vessel is the second security barrier of the nuclear reactor and it is elaboratedwith a low carbon steel ( C-0.16%). Due to the large size of the ferrule there is temperatureand cooling rate gradient, which lead to microstructure gradient. To develop predictive modelit is necessary to well describe the microstructure which depend to the processing parameters.We focuse our work in investigating the effect of the processing parameters (cooling rate,chemical composition...) on the final microstructure during phase transformation.To get these informations and better describe the microstructure, we have used someexperimental technics like SEM, EBSD, TEM and Optical Microscopy. The steel used is alow carbon steel with a composition of C-0.16%, Mn-1.32%, Ni-0.72%, Mo-0.49%, Si-0.23%, Cr-0.23%, P-0.010%, S-0.004%. The material has been tempered in the range 635°C-660°C after cooling. Three positions have been chosen for examinations, because the coolingrate is not the same between the center and the edge of the material. The results of theobservations made in the different scale, indicate that the microstructure is mainly baniticwith bainitic ferrite and cementite precipitates. Examinations of the precipitates withextractive replicas in TEM reveal that morphology of cementite particles is complex they arecylinder-shaped particles, short bars particles and skeletal particles. OrientationsRelationships (OR) have been determined between ferrite and cementite particles with thinfoils in TEM by using Selected Area Diffraction, in a large number areas the Isaichev andBagaryatskii OR have been observed, a little Pitsch Petch OR have been obtained. The EBSDmap shows that the bainitic ferrite morphologies are both lath like and polygon. Themisorientations inside the laths are very small (0.5° misorientation point to point) andbetween laths we have the range 49-60° misorientation. The profile of misorientationsbetween point to point indicates higher frequency for the range 49-60°. Charpy test have beenperformed to analyze the effect of the microstructure on the fracture energy at lowtemperature. The results show that the fracture energy decreases when the content ofproeutectoid ferrite is high.