EDF souhaite conforter la justification de l’intégrité des cuves de réacteurs nucléaires à eau pressurisée, basées sur l’amorçage de fissure, par le concept d’arrêt de fissure. L'objectif de la thèse est de consolider les travaux de prévision de l’arrêt des fissures fragiles dans l’acier de cuve. Des essais d'arrêt de fissure isothermes réalisés entre -150°C et -50°C sur des éprouvettes CT et sur des anneaux en compression ont été analysés. Les analyses fractographiques montrent que la propagation et l’arrêt de fissure se produisent en clivage même si de la déchirure ductile précède la propagation instable de fissure. Un critère local d’arrêt de fissure fragile est appliqué lors de calculs par éléments finis en élastoviscoplasticité et en dynamique : la rupture se produit si la contrainte principale maximale est égale à une contrainte critique. Ce critère permet de bien prédire les vitesses de propagation ainsi que les longueurs de fissure à l’arrêt. La contrainte critique augmente avec la température en relation avec les signes de dissipation observés sur les surfaces de rupture. Une dépendance du critère à la géométrie est observée. Elle peut être liée aux hypothèses de calculs réalisés en bidimensionnel. L’étude de la dynamique de la structure montre que le phénomène d’arrêt de fissure est fortement lié à la dynamique globale de la structure : l’arrêt et la fermeture de la fissure interviennent simultanément. / EDF wants to complete the assessment of reactor pressure vessels usually based on crack initiation concept by crack arrest concept. The work aims at improving the knowledge of cleavage crack arrest in reactor pressure vessel steel. For that purpose, isothermal crack arrest experiments were performed for temperatures ranging from –150°C up to –50°C on compact tensile specimens and on pre-cracked rings submitted to compressive loading. Fractographic observations revealed that the whole crack propagation and arrest occurs by cleavage even if ductile tearing occurs before initiation of the unstable crack propagation. A local cleavage crack arrest criterion is applied in finite element computations carried out in elastoviscoplasticity and in full dynamics: the crack propagates since the largest principal stress reaches a critical stress. The application of this criterion on the experiments leads to a good prediction of the crack speed and of the crack length and shows that the critical stress increases with the temperature in relation with dissipation features observed on the fracture surfaces. Dependence to the geometry is observed; it can be due to the assumption used for the 2D computations. The study of the structural dynamic shows that the crack arrest phenomenon is very linked to the global dynamics of the structure: crack arrest and crack closure occur approximately at the same time.

L’objectif de cette thèse est de comprendre les micro-mécanismes physiques de propagation et d’arrêt de fissure de clivage dans l’acier de cuve 16MND5 et de proposer un modèle de prédiction robuste et physiquement fondé, en s’appuyant sur une campagne d’essais de rupture fragile sur éprouvettes de laboratoire finement instrumentées, associée à la modélisation numérique de ces essais. Dans un premier temps, des expériences ont été menées sur des éprouvettes CT25 de différentes épaisseurs à cinq températures (-150°C, -125°C, -100°C, -75°C, -50°C). Des trajets de fissures rectilignes et branchées (deux fissures se développant de manière quasi-symétrique) ont été observés. Pour estimer la vitesse de propagation, une caméra ultra-rapide a été utilisée, associée à la mise au point d’un protocole expérimental permettant d’observer la face de l’éprouvette dans l’enceinte thermique, sans givrage. Des observations à 500 000 images.s-1 ont permis de caractériser finement la vitesse instantanée de la fissure sur le ligament complet de la CT (~25 mm). En parallèle, pour pouvoir analyser les essais et l’impact de la viscosité sur la réponse mécanique autour de la fissure, le comportement élasto-viscoplastique du matériau a été étudié jusqu’à une vitesse de déformation de 104 s-1 pour les températures étudiées. La méthode des éléments finis étendus (X-FEM) a été utilisée dans le code de calcul CAST3M pour modéliser la propagation de fissure. Les simulations numériques associent l’approche locale de la rupture en dynamique non linéaire et un critère de propagation en contrainte critique de type RKR à une distance caractéristique. Les travaux réalisés ont permis de confirmer la forme du critère proposé par Prabel à -125°C, et d’identifier les dépendances de ce critère à la température et à la vitesse de déformation. A partir d’analyses numériques en 2D et 3D, un critère multi-température fonction croissante de la vitesse de déformation est proposé. Des modélisations prédictives ont permis de valider le critère sur deux géométries d’éprouvettes (CT et anneau) en mode I à différentes températures. Des observations MEB et des analyses 3D au microscope optique montrent que le mécanisme de rupture est le clivage associé à des zones de cisaillement ductile entre les différents plans de fissuration. L’étude de la fraction surfacique des marches de cisaillement et des contraintes de fermeture associées tend à justifier le critère mis en place. Un modèle analytique est proposé permettant de justifier le critère déduit des modélisations numériques. Ce modèle considère que les ligaments retiennent la lèvre de la fissure et induisent donc des contraintes de fermeture au niveau de la pointe de fissure qu’il faut compenser pour atteindre la contrainte de clivage effective en pointe de fissure. Cette résistance des ligaments est directement reliée à la loi de comportement du matériau et justifie la dépendance du critère de rupture identifié à la vitesse de déformation. Enfin, les branchements de fissure ont été analysés via le dépouillement des vidéos obtenues avec la caméra rapide qui mettent en évidence un amorçage initial rectiligne, puis un amorçage de fissures multiples de part et d’autre du plan de fissure qui conduisent à l’arrêt de la fissure initiale, l’une de ces fissures ‘secondaires’ conduisant ensuite à la rupture de l’éprouvette. Les rôles essentiels de l’épaisseur et du chargement dans ce mécanisme de branchement sont soulignés. L’augmentation de l’épaisseur réduit la fréquence d’apparition de ce mécanisme et finit même par l’annuler. Logiquement l’intensité du chargement doit être suffisamment importante pour créer cette zone plastique étendue : les essais qui présentent une propagation rectiligne sont les essais pour lesquels les chargements à l’amorçage sont les plus faibles. / The purpose of this PhD thesis is to understand physical mechanisms of cleavage crack propagation and arrest in the 16MND5 PWR vessel steel and to propose a robust predicting model based on a brittle fracture experimental campaign of finely instrumented laboratory specimens associated with numerical computations. First, experiments were carried out on thin CT25 specimens at five temperatures (-150°C, -125°C, - 100°C, -75°C, -50°C). Two kinds of crack path, straight or branching path, have been observed. To characterize crack propagation and to measure crack speed, a high-speed framing camera system was used, combined with the development of an experimental protocol which allowed to observe CT surface without icing inside the thermal chamber and on the specimen. The framing camera (520 000 fps) has allowed to have a very accurate estimation of crack speed on the complete ligament of CT (~ 25 mm). Besides, to analyse experiments and to study the impact of viscosity on the mechanical response around the crack tip, the elastic-viscoplastic behavior of the ferritic steel has been studied up to a strain rate of 104 s-1 for the tested temperatures.The eXtended Finite Element Method (X-FEM) was used in CAST3M FE software to model crack propagation. Numerical computations combine a local non linear dynamic approach with a RKR type fracture stress criterion to a characteristic distance. The work carried out has confirmed the form of the criterion proposed by Prabel at -125°C, and has identified the dependencies of the criterion on temperature and strain rate. From numerical analyzes in 2D and 3D, a multi-temperature fracture stress criterion, increasing function of the strain rate, was proposed. Predictive modeling were used to confirm the identified criterion on two specimen geometries (CT and compressive ring) in mode I at different temperatures. SEM observations and 3D analyzes made with optical microscope showed that the fracture mechanism was the cleavage associated with ductile shear zones between the different planes of cracking. The study of the surface fraction of ductile shear zones and associated closing stress tends to justify the established criterion. An analytical model is proposed to justify the criterion deduced from numerical modeling. This model assumes that the ligaments hold the crack lips and therefore induce closing stress at the crack tip which has to be compensated to achieve the effective cleavage stress at the crack tip. This resistance of ligaments is directly related to the mechanical behavior of the material and justifies the dependence of fracture stress criterion with strain rate. Lastly, the crack branching was analyzed thanks to movies obtained with the high-speed camera. The cleavage crack propagates in a straight way over few millimeters. Then, new cracks appear on both sides of the initial crack lips which leads to the arrest of the initial crack. One of the new cracks leads to the failure of the CT specimen. The essential role of the thickness and loading on this branching mechanism is emphasized. The increased thickness reduces the frequency of occurrence of this mechanism and eventually even cancel. Low thicknesses lead to more extensive plasticity at the crack tip and generates the germs for the triggering of secondary cracks that appear. Logically, the intensity of loading must be large enough to create this extended plastic zone : the experiments with a straight path are the tests for which the initial loadings are the lowest.

Nowadays, Carbon Fiber-Reinforced Polymers (CFRPs) have been widely applied in the aerospace and automotive industries. Secondary adhesive bonding, instead of using rivets or bolts in conventional mechanical fastenings, is promising in joining CFRPs because it is simple and applicable for cured parts, widely applied for repairing structures, and of light weight. However, the mechanical performance of secondary bonding is very sensitive to the treatment of CFRP parts. Besides, another concern arises from the fact that secondary bonded specimen often prematurely fails due to delamination and leads to a catastrophic structural collapse. While enhancing the joint strength and toughness is important, limiting the progression of damage is crucial, to ensure confidence in the design and allow enough time for maintenance and repair. Therefore, it is significant to introduce a crack arrest feature into the joints, to slow down (or even stop) the crack growth and achieve progressive failure. In this thesis, we employ advanced surface preparation strategies to enhance the strength, toughness, and safety of adhesively bonded CFRP joints. Globally uniform surface pretreatments, using conventional mechanical abrasion, peel-ply, and pulsed CO2 laser irradiation, are employed at first to improve the mechanical responses of adhesively bonded CFRP joints. Then, to better understand damage mechanisms and guide the joint design, characterizations of surface chemistry, surface energy, and surface morphology are correlated with obtained strength and toughness. Next, trench patterns, ablated by pulsed CO2 laser irradiation, are applied to CFRP substrate to further analyze the role of surface roughness on increased mode I energy release rate. Finally, a novel surface patterning strategy is proposed to achieve superior toughness enhancement in adhesively bonded CFRP joints to improve the joint safety. Such surface preparation strategy is assessed through 2D numerical models and realized experimentally by patterning of pulsed CO2 laser irradiation, illustrating its potential in toughening the joint and successfully delaying the crack propagation.

This thesis investigates the feasibility and usability of the finite element method approach in the design of crack arresting devices. Current design and manufacturing practices are improving structures' susceptibility to fracture, in particular brittle fracture; however, cracks in structures are still observed within their lifespans due to severe unexpected service conditions, poor designs, or faulty manufacturing. Crack arrester systems can be added during service to prolong the longevity of structures with sub-critical or critical flaws. Fracture properties of different specific structures under specific services can be obtained experimentally, however, experiments are expensive and of high complexity. Alternatively, the finite element method can reduce these factors and provide reliable solutions. Finite element analysis conducted provides insight into the modeling process and the effectiveness of the simulation of fracture problems. Fracture mechanics technology in conjunction with the finite element method allows for the evaluation of the effectiveness of introducing crack arresters to a flawed structure. Additionally, the simulation of recorded crack arrester experiments alongside analytic methods are used to verify the finite element analysis results. The work in this thesis verifies the validity of using the finite element approach in designing crack arrester systems for flawed structures and suggests further investigation be done with variation in crack arrester types.

De nombreuses structures aéronautiques telles que les contacts aube/disque, rivet/tôle, assemblages frettés ou boulonnés subissent des endommagements de fretting fatigue dus à des sollicitations vibratoires. Ces sollicitations, qui combinent des chargements de contact de fretting (micro déplacements alternés) et de fatigue, peuvent induire des phénomènes de fissuration. L’objectif de cette thèse est d’identifier les mécanismes de propagation et d’arrêt de fissuration pour différentes configurations, impliquant des chargements de fretting et de fatigue. Différents aspects seront étudiés : - Les essais de fretting simple, fretting fatigue et fatigue seront corrélés de manière à mesurer certaines propriétés mécaniques de matériaux. Dans cette démarche, une méthode inverse permettant l’identification du seuil d’arrêt de propagation des fissures longues et courtes en fatigue à partir d’essais de fretting simple et fretting fatigue est introduite. - L’effet du rapport de charge est pris en compte afin de quantifier la fermeture de fissure pour les essais de fretting et fretting fatigue. Un nouveau modèle de fermeture sera proposé. - L’effet d’échelle est étudié grâce au développement d’une nouvelle machine de fretting fatigue permettant le suivi in situ des propagations de fissures sur des éprouvettes millimétriques. Le comportement des fissures courtes en fretting pendant un essai de fretting fatigue a été observé pour la première fois. L’idée principale de ce travail est de considérer que lors d’un essai en fretting simple, une condition d’arrêt de propagation est systématiquement atteinte. Les facteurs d’intensités de contraintes seuils en fatigue peuvent ainsi être extraits par une méthode inverse à partir des essais de fretting. La méthodologie adoptée consiste à mesurer la longueur de fissure maximale obtenue lors d’un essai de fretting correspondant à une condition d’arrêt de propagation. En jouant sur les chargements de fretting, les domaine des fissures courtes et longues sont étudiés. Pour chaque condition d’arrêt, le facteur d’intensité de contraintes seuil correspondant est calculé. Enfin, en traçant l’évolution de ce dernier en fonction de la longueur de fissure, une description complète des seuils d’arrêt de fissuration en fatigue peut être obtenue. Cette méthodologie est appliquée sur plusieurs configurations de fretting simple et est étendue aux essais de fretting fatigue. Ainsi une large gamme de rapports de charge peut être étudiée. Des essais conventionnels de fatigue propagation sur éprouvettes C(T) ont été réalisés de manière à valider complètement la démarche d’identification inverse des conditions d’arrêt de fissuration. Le manuscrit est divisé en six chapitres adoptant une évolution linéaire. Le chapitre 1 traite d’une revue bibliographique concernant la propagation des fissures courtes et longues en fatigue dans les matériaux métalliques, introduisant les phénomènes de fermeture. L’analyse est étendue à la propagation des fissures en fretting et fretting fatigue. Le chapitre 2 présente l’ensemble des techniques et méthodes expérimentales utilisées au cours de ce travail. Une analyse numérique et la méthode inverse d’identification des conditions d’arrêt de propagation sont introduites dans le chapitre 3. Les chapitres suivants traitent les différents résultats obtenus. Le chapitre 4 présente les essais de fretting simples menés sur différents matériaux métalliques. Une corrélation entre les conditions d’arrêt de fretting simple avec celles de fissures longues en fatigue est obtenue pour rapports de charge négatifs. Cette analyse est étendue aux rapports de charge positifs au chapitre 5 en couplant les essais de fretting simple, fretting précontraints et essais de fatigue C(T). Enfin, les effets d’échelle et la cinétique de propagation des fissures de fretting fatigue sont étudiés au chapitre 6. / Aircraft structures such as blade/disk, rivet/sheet and fretted or bolted assembly contacts are subjected to fatigue fretting damage caused by vibratory loads. These loads combining fretting (alternating micro displacements) and fatigue contact loading can induce cracks. The objective of this thesis is to identify the propagation and crack arrest mechanisms for different configurations involving fretting and fatigue loads. Various aspects will be studied : - Simple fretting, fatigue fretting and fatigue tests will be correlated in a way to measure some material mechanical properties. A reverse approach allowing to identify the long and short fatigue crack propagation thresholds from simple fretting and fretting fatigue will be introduced. - A new closure model taking into account the effect of loading ratio on crack closure in fretting and fretting fatigue tests will be proposed. - The scaling effect will be studied thanks to the development of a new fretting fatigue machine allowing for in-situ monitoring of the propagation of small scale cracks. The behavior of fretting short cracks has been observed for the first time in a fretting fatigue test. The main idea behind the current work is the consideration that for a simple fretting test, the crack will always lead to a crack propagation arrest condition. Threshold stress intensity factors can thus be extracted from fretting tests using a reverse method. The methodology used consists in measuring the longest fretting crack corresponding to a crack propagation arrest condition. Short and long crack regimes are studied by varying fretting loads and geometries. The corresponding threshold stress intensity factor is calculated for each arrest condition. A complete description of fatigue crack arrest thresholds can be obtained from a plot depicting the evolution of the stress intensity factor range as a function of crack length. This methodology has been applied on multiple simple fretting configurations and was extended to fretting fatigue tests allowing to study a large range of loading ratios. Conventional fatigue crack propagation tests were carried out on C(T) specimens in order to validate the reverse method used for crack arrest conditions. The present thesis is divided into six main chapters. Chapter 1 provides a complete literature review on short and long crack propagation in metallic materials introducing crack closure. It provides a treatment for both fretting and fretting fatigue including a comparative analysis. Chapter 2 provides an overview of the different techniques and methodologies used as part of this research project. The reverse method used for the identification of crack propagation arrest conditions as well as a numerical analysis are presented in Chapter 3. The following Chapters provide a treatment of the various results obtained. Chapter 4 focuses on simple fretting tests carried out on different metallic materials. A correlation between simple fretting and long fatigue crack arrest conditions was obtained for negative loading ratios. This analysis is extended to positive loading ratios in Chapter 5 combining simple fretting, prestressed fretting and C(T) fatigue tests. Finally, scaling effects and fretting fatigue crack propagation kinetics are studied in Chapter 6.

No description available.