ARKEMA s'intéresse à la conception de matériaux thermoplastiques renforcés au choc en incorporant des particules dans le polymère pur au moment de la mise en forme et à l'effet du vieillissement hydrolitique sur ces mêmes matériaux. L'ajout d'une seconde phase de type élastomère est une technique souvent utilisée dans le but d'améliorer la résilience d'un polymère, celle-ci étant testée par essais Charpy. La présence de particules modifie les mécanismes d'endommagement par germination, croissance et coalescence de cavités soit en coeur des particules de renfort, soit à l'interface matrice-particule. La matrice des polymères renforcés de l'étude consiste en du PolyAmide 11 (PA11), un thermoplastique semi-cristallin. Ce matériau, qui possède une porosité initiale mesurée de l'ordre de 1% blanchit sous charge. Ce blanchiment est dû à une augmentation de la porosité par croissance de cavités, qui engendre une variation de volume. On s'intéresse donc aux phénomènes d'endommagement par cavitation dans les matériaux polymères, ceux-ci pouvant conduire jusqu'à la rupture finale. Dans la thèse, la compréhension des mécanismes d'endommagement est analysée aussi bien pour la matrice de PA11 neuf, pour la matrice de PA11 plastifiée et vieillie que pour deux matériaux renforcés. <br>Cette thèse montre qu'une nouvelle fois le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman, modèle initialement développé pour l'étude de la rupture ductile des matériaux métalliques, s'applique dans le cas d'un matériau polymère semicristallin. Le modèle s'avère pertinent pour décrire le comportement endommageable du matériau. Tout comme dans le PVDF, deux critères d'amorçage apparaissent : un critère en coalescence de cavités et un critère d'élongation des fibrilles. Les polymères se déformant rarement dans des conditions d'isothermie, l'auto-échauffement du matériau a été pris en compte en rendant les paramètres intervenant dans le modèle dépendant de la température ; les résultats s'avèrent intéressants et concordent bien avec ceux obtenus expérimentalement. La thèse met également en lumière la préservation de la ductilité par l'ajout d'une seconde phase de caoutchouc en dépit du vieillissement hydrolitique, dans une zone de température inférieure à la zone de température de transition vitreuse. Cependant nous montrons que, selon les caractéristiques de cette seconde phase, les mécanismes d'endommagement peuvent varier et ainsi le critère d'amorçage changer.

The standards of fracture toughness determination prescribe size requirements for size of test specimens. In cases of limited amount of test material miniature test specimens offer one from the possibilities of fracture toughness evaluation. Because of small loaded volumes in these specimens at the crack tip the loss of constraint occur affecting measured values of fracture toughness. In such cases the size requirements for valid fracture toughness characteristics determination are not fulfilled. These specimens can be even on limits of load range of test devices and handle manipulation by their small dimensions. The important task related to these specimens is, apart from methodology of their preparation and measurement of deformations, the interpretation of measured values of fracture toughness and their possible correction to standard test specimens. Moreover, in the upper shelf region of fracture toughness quantification and interpretation of size effects is still not resolved sufficiently. This thesis is by its aims experimentally computational study focused on evaluation of size effect on fracture toughness in the upper shelf region. The size effect was quantified by testing of miniature and large specimens’ sizes in order to determine J R curves. Two geometries of miniature test specimens, there point bend specimen and CT specimen, were used. The experimental materials were advanced steels developed for applications in nuclear and power industry, Eurofer97 steel and ODS steel MA956. Finite elements analyses of realized tests together with application of micromechanical model of ductile fracture were carried out in order to evaluate stress strain fields at the crack tip in tested specimens from Eurofer97 steel. By comparison of experimental results and numerical simulations of J R curves the mutual dependencies between geometry of specimens and element sizes at the crack tip were derived. On the basis of acquired relationships, the methodology of J R curve prediction for standard specimen size from limited amount of test material was proposed. Main contribution of thesis is description of effect of material’s fracture toughness level on resistance against ductile crack propagation in miniature specimens. For material where significant crack growth occurs after exceeding the limit values of J integral (Eurofer97), the loss of constraint is considerable and highly decreases resistance against tearing. Miniature specimens then show significantly lower J R curves in comparison with standard size specimens. This effect is the opposite to the behaviour of miniature specimens in transition region. In case of material with low toughness, in which significant crack growth occurs in the region of J integral validity (ODS MA956), the effect of constraint loss is small without large impact on resistance against tearing. In such case miniature specimens demonstrate comparable J R curves as specimens of larger sizes. Next important contribution is proposed methodology for prediction of J R curve from small amount of test material using micromechanical modeling.

Les aciers ferritiques présentent une transition du mode de rupture passant progressivement d'une rupture fragile (clivage) à une rupture ductile lorsque la température augmente. Le suivi du décalage de la température de transition des aciers de cuve par l'établissement de courbes de résilience, fait de l'essai Charpy une partie intégrante du programme de surveillance des centrales nucléaires françaises à eau sous pression. Malgré les avantages qui lui sont propres notamment son coût, l'essai Charpy ne permet pas d'obtenir directement une grandeur qui caractérise la résistance à la propagation d'un défaut de type de fissure, comme la ténacité, utilisée pour qualifier l'intégrité mécanique d'une structure.<br />Cette étude contribue à l'établissement du passage résilience-ténacité dans le domaine de transition de l'acier de cuve 16MND5 à partir d'une approche non-empirique basée sur l'approche locale de la rupture. La rupture fragile est décrite par le modèle Beremin (1983), qui permet de décrire la dispersion inhérente à ce mode de rupture. La description de la déchirure ductile est réalisée par le modèle GTN (1984) et le modèle Rousselier (1986). Ce dernier modèle a été modifié afin d'obtenir une description réaliste de l'endommagement ductile dans le cas de sollicitations rapides et d'échauffement locaux.<br />La méthode proposée pour déterminer les paramètres des modèles d'endommagement s'appuie uniquement sur des essais sur éprouvettes entaillées et les données inclusionnaires du matériau. Le comportement est décrit par une formulation originale paramétrée en température qui permet de décrire l'ensemble des essais réalisés dans cette étude. Avant d'appliquer cette méthodologie, une étude expérimentale du comportement et des modes de rupture de l'acier 16MND5 a été effectuée. A partir des essais de résilience en conditions quasi-statiques et dynamiques, il a été mis en évidence que cet acier ne présentait pas de décalage important de sa courbe de résilience dû à l'effet de vitesse. Dans le domaine de la transition, des échauffements locaux de l'ordre de 150°C ont été mesurés en fond d'entaille, ainsi que des déformations plastiques supérieures à 100 %.<br />Après une étude fractographique permettant l'identification de la nature des sites à l'origine du déclenchement du clivage, l'étude numérique montre, notamment, l'effet de l'échauffement adiabatique et de la prise en compte de la germination de cavités autour d'une seconde population de particules (carbures) sur la déchirure ductile. L'application de la méthodologie proposée permet de décrire les données de résilience jusqu'à des énergies moyennes de l'ordre de 70 J, englobant les indices TK28 et TK 68. Au delà, il faut introduire une faible dépendance apparente de la contrainte du clivage avec la température. D'autre part, l'évolution de la ténacité peut être décrite jusqu'à des valeurs moyennes de 170 MPa?m sans introduire de dépendance de la contrainte de clivage avec la température.

L'actuelle investigation numérique du Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) modèle avancé est une extension du travail de Ben Bettaieb et al. (2011). Le modèle a été implémenté à l'aide d'une sous routine (VUMAT) contenu dans le code commerciale d'éléments finis Abaqus/explicit. Le modèle d'endommagement améliore l'original en intégrant les trois mécanismes d'endommagement, la nucléation, la croissance, et la coalescence des cavités. Le modèle d'endommagement intègre les lois de nucléation et de croissance basés sur les phénomènes purement physiques. Ces nouvelles contributions incluant l'influence de l'écrouissage cinématique, ont été validées par les résultats de mesures expérimentales de tomographie à rayon X à haute résolution. Aussi, l'implémentation numérique de l'écrouissage cinématique dans le modèle modifié a contraint de proposer et de réarranger la définition de la triaxialité que l'on trouve habituellement dans la littérature. A coté de cela, un second critère d'initiation à la rupture basé sur l'ultime distance inter-cavités a été inclue afin de localiser et de quantifier avec plus de précision la distribution des déformations peu avant que le matériau ne casse complètement. L'actuel modèle d'endommagement a été appliqué dans des conditions industrielles pour prédire l'évolution de l'endommagement, l'état de contraintes, et l'initiation à la rupture pour différentes géométries de tôles et sur des essais d'emboutissage de tôles minces.

Les standards consacrés à la conception des oléoducs se concentrent principalement sur les chargements opérationnels, tels que les pressions internes et externes, et les procédures d'analyse de défauts actuelles n'exploitent pas les capacités d'écrouissage du matériau. Pourtant, dans des conditions extrêmes, les oléoducs peuvent être soumis à des contraintes au-delà de la limite d'élasticité jusqu'à atteindre 2.5% de déformations plastiques. Ici, les procédures proposées par ExxonMobil et PRCI basées sur des critères en déformation sont présentées, et l'utilisation de l'éprouvette SENT (Single Edge Notched Tension) pour caractériser la ténacité est étudiée, en comparant les différentes procédures d'essais recommandées. Puis, une importante campagne expérimentale a été réalisée pour caractériser deux aciers pour oléoducs à température ambiante et à basses températures. Les comportements mécaniques des matériaux de base et d'apport ont été identifiés grâce à l'utilisation de l'analyse inverse, et il est montré que le modèle d'endommagement GTN permet de modéliser finement les essais sur éprouvettes de laboratoire. Enfin, deux essais sur structures (pression et flexion, puis pression et traction) ont été réalisés de manière à comparer les approches globales et le modèle d'endommagement GTN. Ce dernier démontre une bonne transférabilité de l'éprouvette vers la structure. / Pipeline design codes and standards traditionally focus on the operational loadings such as internal and external pressures that are likely to exist over the entire lifetime of the pipeline. Existing Engineering Critical Assessments are mostly based on stress considerations, where the design margin is given as a percentage of the yield strength. In extrem environments, pipelines may experience stresses beyond the yield and plastic deformations up to 2.5 %. In such conditions, strain-based design procedures apply. In this work, a literature review of the existing strain based methods is proposed, including ExxonMobil and PRCI multi-tier approaches. The use of the Single Edge Notched Tension (SENT) specimen to measure the material toughness is then studied, benchmarking the recommended testing procedures from literature. A comprehensive experimental campaign was carried out to fully characterize two actual line pipes at room and low temperatures. The mechanical behavior of parent and weld materials are identified using an inverse analysis, and GTN damage model is shown to allow accurate modeling of the laboratory testings. Finally, two full scale tests (pressure + bending or pressure + tension) were carried out to benchmark the global approaches and GTN damage model. The latter showed a very good transferability from specimens to the structure.

Cette étude porte sur la détermination d’un critère de rupture des gaines de combustible de Zircaloy-4 détendu hydruré contenant un blister d’hydrures, en conditions accidentelles représentatives d’un accident d’injection de réactivité. Deux plages de comportement différentes en fonction de la température ont clairement été mises en évidence grâce à l’étude bibliographique, aux différentes campagnes d’essais mécaniques et aux analyses des faciès de rupture des éprouvettes rompues : une rupture de type fragile pour la gaine à 25°C et une rupture ductile à 350°C.A 25°C, la rupture fragile a été traitée par une analyse globale en mécanique élasto-plastique de la rupture. A partir des essais mécaniques effectués à 25°C sur les gaines contenant des blisters, des simulations numériques par éléments finis ont été réalisées avec le code CAST3M. Des calculs d’intégrales-J en pointe de fissure ont alors permis d’identifier un critère de rupture en ténacité moyenne de 13,8 +/- 3,1 MPa.m1/2.A 350°C, une campagne d’essais biaxés de type pression interne couplée à la traction axiale a été réalisée sur des tronçons de Zircaloy-4 contenant des blisters, à des biaxialités des contraintes représentatives du RIA. Il a été montré que la rupture de la gaine, avec et sans blister, avait lieu de façon ductile, que la déformation diamétrale à rupture de la gaine diminuait lorsque la profondeur de blister augmentait, et que la biaxialité des contraintes n’avait pas d’effet sur la rupture des gaines contenant un blister suffisamment profond.Un modèle d’endommagement ductile couplé à la plasticité, basé sur un formalisme de type GTN, a été utilisé. Afin d’améliorer la description de l’endommagement des gaines de Zircaloy-4, une nouvelle source de germination de porosités liée au paramètre de Lode a été intégrée dans le modèle. L’évaluation de la triaxialité des contraintes et du paramètre de Lode dans les simulations numériques de la rupture ductile des gaines à 350°C a notamment permis de comprendre certaines tendances expérimentales. / This study deals with the determination of a fracture criterion for hydrided, cold worked and stress relieved Zircaloy-4 fuel cladding tubes with hydride blister, during a reactivity initiated accident. Two types of fracture profiles were identified, depending on the temperature, thanks to a bibliographical study, mechanical tests and fracture profiles analysis : brittle fracture at 25°C, and ductile fracture at 350°C.At 25°C, brittle fracture was studied by a global analysis in elasto-plastic fracture mechanic. Numerical simulations were performed by a finite element method with the CAST3M code, based on mechanical tests on fuel cladding tubes with blisters. Crack tip J-integral calculations were carried out to identify a mean fracture toughness of 13,8 +/- 3,1 MPa.m1/2.At 350°C, internal pressure combined to axial tensile tests were performed on Zircaloy-4 fuel cladding tubes with hydride blisters, at stress biaxialities corresponding to those of a RIA. It was observed a ductile fracture for tubes with and without blister. It was shown that hoop strain at failure decreases when blister thickness increases, and that stress biaxiality has no effect on cladding tubes bearing a thick blister. A ductile fracture model based on the GTN model was employed and a nucleation of voids due to shear stress was introduced, based on the Lode parameter. Stress triaxiality and Lode parameter were assessed in numerical simulations to understand some experimental observations.

Cette étude a pour objectif principal d’établir une stratégie de modélisation robuste, fiable et performante pour décrire des propagations de fissures d’échelle centimétrique en régime ductile dans des composants industriels. Le modèle d’endommagement de GTN écrit en grandes déformations est utilisé pour modéliser l’endommagement ductile. Ce modèle conduit généralement à une localisation de la déformation, conformément à l’expérience. L’échelle caractéristique de ce phénomène est introduite dans les équations de comportement via l’adoption d’une formulation non locale.Sur le plan numérique, ce modèle non local rend bien compte de la localisation dans une bande d’épaisseur donnée lorsqu’on raffine suffisamment le maillage. Par ailleurs, le problème de verrouillage numérique associé au caractère initialement isochore de la déformation plastique est limité en utilisant une formulation à base d’éléments finis mixtes. Enfin, la distorsion des éléments totalement cassés (i.e. sans rigidité apparente), qui pourrait nuire à la bonne convergence des simulations numériques, est traitée par une régularisation viscoélastique.L’ensemble de ces ingrédients sont appliqués pour simuler la propagation de fissure dans un milieu infini plasticité confinée), de sorte à établir un lien avec les approches globales en J-Δa. L’émoussement, l’amorçage et la (grande) propagation de fissure sont bien prédits. Le modèle est également appliqué à une tuyauterie métallique testée en grandeur réelle dans le cadre du projet européen Atlas+. Après une phase d’identification des paramètres sur éprouvette, les réponses globales et locales d’autres éprouvettes et du tube sont confrontés aux résultats expérimentaux. Ces résultats illustrent le degré de robustesse, de fiabilité et de performance qu’on peut attendre du modèle. / The major goal of this work is to establish a robust, reliable and efficient modeling technique so as to describe ductile tearing over a distance of several centimeters in industrial cases. The GTN damage model expressed in the context of finite strains is chosen to model ductile damage. Generally, the model leads to strain localization in agreement with experimental observations. The characteristic length scale of this phenomenon is introduced into the constitutive equations through the use of a nonlocal formulation.On a numerical ground, the nonlocal model controls the width of the localization band as soon as the mesh is sufficiently refined. Besides, the issue of volumetric-locking associated with plastic incompressibility is handled using a mixed finite element formulation. Finally, the distortion of broken elements (i.e. without any stiffness), which may affect the computational convergence of numerical simulations, is treated using a viscoelastic regularization.The improved GTN model is applied to simulate crack propagation under small-scale yielding conditions, so as to establish a relation with the global (J-Δa) approach. Crack tip blunting, crack initiation and (large) crack propagation are well captured. The model is also applied to a full-scale metallic pipe in the framework of the UE project Atlas+. After a phase of parameter calibration based on the experimental results on some small specimens, the global and local responses of other small specimens and of the full-scale pre-cracked pipe are compared with the experimental results. The results illustrates the robustness, the reliability and the efficiency of the current model.