En raison de sa stabilité microstructurale l'acier martensitique 'X10CrMoVNb9-1' est considéré comme un des candidats pour plusieurs futurs composants des réacteurs à hautes températures 'Very High Temperature Reactor' (VHTR). Ces épais composants (200 mm) sont assemblés par soudage TIG multi-passe. Ce procédé de soudage génère des cycles thermiques et thermomécaniques complexes au niveau de la Zone Affectée Thermiquement (ZAT). Cette thèse est la suite de celle de G.-M. Roux. Ce travail de six ans a pour but de prédire l'état microstructural après soudage dans la ZAT. G.-M. Roux a déjà développé une première version d'un modèle Thermo-Métallurgico-Mécanique (TMM) et a été validée en termes de contraintes résiduelles sur des essais de soudage simples mono-passe. Dans cette thèse une nouvelle version du modèle TMM est proposée, permettant d'améliorer les prévisions en termes de l'état microstructural post soudage dans la ZAT, et les contraintes résiduelles engendrées par l'opération de soudage.Cette thèse s¿appuie sur une approche de modélisation fine des transformations de phases, à savoir la modélisation de la transformation matériau de base - austénite lors d'un chargement anisotherme complexe, la modélisation de la transformation austénite - martensite et finalement la modélisation du revenu de la martensite. Sans oublier la caractérisation du comportement mécanique de chaque phase et l'étude du comportement multi-phasique. La simulation numérique avec le code éléments finis Cast3M de plusieurs procédés de soudage permet de comparer les modèles aux résultats expérimentaux. / Due to its microstructural stability, the martensitic steel 'X10CrMoVNb9-1 is considered a candidate for several future high temperatures reactor components. These thick components (200 mm) are assembled by GTA multi-pass welding. This welding process generates complex thermal and thermomechanical cycles in the Heat Affected Zone (HAZ). This thesis is following that of G.-M. Roux. This work of 6 years aims to predict the microstructural state after welding in the HAZ. A first version of a Thermo-Metallurgical-Mechanical model (TMM) has been developed and validated in terms of residual stresses on single-pass welding simple tests. In this thesis a new version of the TMM model is proposed to improve the forecasts in terms of the microstructural state and residual stresses post welding in the HAZ. The main improvements of this model TMM its capabilities to take into account the successive heating and cooling cycles, characterizing the multi-pass welding process. This thesis is based on a detailed modeling approach for phase transformations, namely modeling the transformation base material - austenite during anisothermal complex loadings, modeling transformation austenite - martensite and finally the martensite tempering modeling. Not to mention the characterization of the mechanical behavior of each phase and the study of multiphase behavior. Numerical simulation with the finite element code Cast3M of several welding processes was used to compare models with experimental results.

Au cours de ce travail, un modèle physique et numérique 3D du procédé de soudage à l’arc TIG (Tungsten Inert Gas) a été développé dans l’objectif de prédire, en fonction des paramètres opératoires, les grandeurs utiles au concepteur d’assemblages soudés.Le modèle développé, à l’aide du code de calcul aux éléments finis Cast3M, traite les phénomènes physiques agissant dans la pièce et, plus particulièrement, dans le bain de soudage, l’arc étant traité comme une source. Pour ce faire, les équations non-linéaires de la thermohydraulique couplées à celles de l’électromagnétisme sont résolues en régime stationnaire avec un modèle prenant en compte la surface libre déformable du bain de soudage.Une première étape du développement a porté sur la modélisation des phénomènes électromagnétiques par deux méthodes numériques différentes, à comparer les résultats numériques obtenus avec ceux de la littérature. Ensuite, afin de valider le pouvoir prédictif du modèle, des simulations de différentes configurations de soudage d’intérêt ont été étudiées, en variant la composition chimique du matériau, la vitesse de défilement, la pression d’arc imposée et, plus particulièrement, la position de soudage. Des comparaisons avec des expériences et des modèles numériques de la littérature confirment les bonnes tendances obtenues. Enfin, une approche de la modélisation de l’apport de matière a été abordée et des résultats de cette approche ont été montrés. Notre modèle complet constitue donc une base solide pour le développement de modèles de simulation numérique du soudage (SNS) 3D totalement couplés avec l’arc dans le futur et sera intégré dans le logiciel métier WPROCESS. / In this work, we develop a 3D physical and numerical model of the GTA (gas tungsten arc) welding process in order to predict, for given welding parameters, useful quantities for the designer of welded assembly.The model is developed in the Cast3M finite element software and takes into account the main physical phenomena acting in the workpiece and particularly in the weld pool, subject to source terms modeling the arc part of the welding process. A steady solution of this model is thought for and involves the coupling of the nonlinear thermohydaulics and electromagnetic equations together with the displacement of the deformable free surface of the weld pool.A first step in the development consisted in modeling the electromagnetic phenomena with two different numerical methods, in comparing the numerical results obtained with those of the literature. Then, in order to assess the predictive capability of the model, simulations of various welding configurations are performed : variation in the chemical composition of the material, of the welding speed, of the prescribed arc pressure and of the welding positions, which is a focus of this work, are studied. A good agreement is obtained between the results of our model and other experimental and numerical results of the literature. Eventually, a model accounting for metal filling is proposed and its results are discussed. Thus, our complete model can be seen as a solid foundation towards future totally-coupled 3D welding models including the arc and it will be included in the WPROCESS software dedicated to the numerical simulation of welding.