Cette étude concerne la déchirure ductile des aciers à haute limite d'élasticitée utilises pour la construction des gazoducs. La microstructure et la réponse mécanique de deux toles et d'un tube en acier X100 (R =100ksi = 690MPa) ont été éetudiees. Ces materiaux possedent une microstructure ferrito-bainitique. Le programme expérimental porte sur des éprouvettes lisses, des eprouvettes entaillees et des éprouvettes fissurees. Des eprouvettes de traction simple suivant trois directions principales ont été utilisees. Ces essais ont montré que les aciers etudies présentent une forte anisotropie plastique. La limite d'élasticite des toles se trouve au-dessous de la valeur requise pour l'acier X100. Ce n'est qu'après la production de tubes, qui implique une déformation plastique lors de la mise<br />en forme, que l'acier atteint le grade X100.<br />Les mécanismes de rupture sont etudies par microcopie optique et électronique a balayage sur des coupes<br />métallographiques et des examens fractographiques de l'ensemble des éprouvettes (traction, AE, Charpy V et<br />CT). La naissance de l'endommagement se caractérise par la rupture ou la décohesion des sulfures de calcium et des nitrures de titane. Deux modes de coalescence sont observés : la striction interne et la coalescence en bande.<br />L'effet d'une pré-deformation sur les caracteristiques de traction et sur la ténacite est etudie en pre-deformant des barreaux de traction de 1.6%, 3.6% et 5.9% de déformation plastique. Une prée-deformation provoque une augmentation de la limite d'élasticite et de la resistance a traction, mais diminue la téenacite du materiau. La propagation ductile dynamique sur de grandes distances (100 a 200mm) est étudiee a l'aide d'une experience de rupture à grande vitesse (20 à 40m/s) de grandes toles qui permet de reproduire la rupture par cisaillement observe lors de l'éclatement des pipelines. La resistance a la propagation sur de longues distances est éevaluee par le taux de dissipation d'éenergie. Nos essais realises sur les deux toles confirment la tendance observée precedemment selon laquelle les structures ferrito-bainitiques permettent d'obtenir un bon compromis entre la ténacite et leur limite d'élasticite. La simulation par éléments finis de la dechirure ductile des toles a été effectuee. Les simulations sont basees sur une extension du modèle Gurson-Tvergaard-Needleman incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de cavités. Un nouveau critere de plasticité anisotrope recemment developpe pour les alliages<br />d'aluminium est utilisé. Les parametres sont ajustes sur de petites eprouvettes. La transférabilite sur les grandes<br />plaques en pleine épaisseur est verifiee. Le modele permet de représenter les caracteristiques principales des essais de déchirure ductile dynamique : la courbe de chargement, la forme du front de fissure, le Développement de la striction en pointe de fissure et le taux de dissipation d'énergie.

L'étude porte sur le comportement à rupture des structures minces soudées dans le domaine de transition fragile/ductile. Elle a pour objectif de proposer un critère permettant de définir les conditions pour lesquelles le risque de rupture par clivage reste nul sur une structure fissurée.<br /><br />L'étude bibliographique montre que les difficultés de la prédiction du comportement à rupture d'une structure sont dues au fait que la probabilité de rupture dépend des champs mécaniques en pointe de fissure. Le domaine de transition fragile/ductile dépend donc de la géométrie étudiée.<br /><br />Une contrainte seuil, en-dessous de laquelle le clivage ne peut avoir lieu, est définie à partir d'essais sur éprouvettes entaillées rompues à très basse température.<br /><br />L'analyse numérique par éléments finis d'essais de rupture sur éprouvettes CT dans le domaine de transition fait apparaître une relation linéaire entre la probabilité de rupture et le volume de matière ayant dépassé la contrainte seuil, montrant ainsi la pertinence du critère proposé. De plus, plusieurs relations simplifiant l'identification des paramètres du critère sont établies.<br /><br />Le critère est appliqué à un acier C-Mn de construction nucléaire, en s'intéressant plus particulièrement à la limite supérieure du domaine de transition. Un essai de rupture sur un tube aux dimensions d'utilisation est conçu, développé, réalisé et interprété grâce à une simulation numérique. Les résultats montrent premièrement qu'il existe sur la structure un décalage important du domaine de transition, dû au faible confinement de plasticité rencontré dans les structures minces, deuxièmement que le critère en contrainte seuil permet d'estimer simplement ce décalage.

Aujourd'hui la simulation numérique du soudage apporte une solution à la maîtrise du procédé en prédisant l'état résiduel de la structure. Ainsi, l'un des objectifs de ce travail de thèse est de dresser un bilan de l'apport de la simulation des procédés et notamment du soudage dans le contexte industriel et d'établir une aide à la compréhension des phénomènes impliqués par la mise en place d'outils de modélisation numériques adaptés pour parvenir aux résultats attendus. Comme toute carte à l'échelle 1 se révélant inutile et inexploitable, nous ne proposerons pas un modèle physique unique et réel mais plutôt un ensemble d'approches phénoménologiques basées sur la compréhension des phénomènes physiques et qui permet, par la réduction du problème à partir d'hypothèses justifiées, à la simulation numérique d'atteindre les objectifs attendus par les industriels. Quel avantage existerait-t-il à disposer d'un modèle de même complexité que son objet ?

Lorsqu'on découpe un feuillard à l'aide d'un outil, ou lorsqu'on découpe un tube selon son axe, au fur et à mesure que l'on propage la fissure qui traduit la découpe il arrive que des ondulations de flambage perturbent les deux bords libres générés par la propagation de la fissure. Cette étude vise à analyser les origines de ces ondulations. Nous avons mené une campagne expérimentale, dans laquelle des tubes en acier inox avec différentes géométries (rayon/épaisseur) sont " découpés " selon une génératrice. Une instrumentation adéquate, couplant des mesures ponctuelles, à l'aide de jauges de déformation, et une méthode champ par corrélation d'image, nous a permis de correctement mettre en exergue la phénoménologie, en particulier les cinématiques induites à l'échelle géométrique de la fissure (front de fissure) ainsi qu'à l'échelle du tube, avec les longueurs d'onde de flambage observées à l'aval de la fissure. La modélisation numérique menée en non linéaire géométrique (flambage), matériau (déchirure ductile), et conditions aux limites (contact) est aussi abordée à l'aide du code de calcul Abaqus/Standard. Pour la gestion de la propagation de la fissure, deux modèles de rupture sont proposés. Le premier modèle dit zone cohésive est développé et implanté dans le code Abaqus via la subroutine UEL. Pour la deuxième modélisation, nous avons utilisé le modèle dit " d'endommagement ductile " du code Abaqus. La modélisation via des éléments massifs ou des éléments coques volumiques ainsi que l'utilisation de ces modèles de rupture permettent de corroborer les observations expérimentales. Ces travaux montrent que l'augmentation de la charge inhérente au déplacement de l'outil de " découpe ", induit une extension dans la direction circonférentielle et donc une striction dans la direction radiale amenant finalement la rupture. Lors de la rupture, un " sillage plastique " apparait, relativement large, près et parallèle aux bords de la fissure. " Confiné " par les autres parties du tube qui restent élastiques, des contraintes de compression axiale résiduelles apparaissent dans ce sillage plastique, à l'aval de la fissure, leur intensité est suffisante pour produire les ondulations des bords libres qui traduisent un flambage local. Les contraintes résiduelles liées à l'opération de découpe induisent donc le flambage.

Lorsqu’on découpe un feuillard à l’aide d’un outil, ou lorsqu’on découpe un tube selon son axe, au fur et à mesure que l’on propage la fissure qui traduit la découpe il arrive que des ondulations de flambage perturbent les deux bords libres générés par la propagation de la fissure. Cette étude vise à analyser les origines de ces ondulations. Nous avons mené une campagne expérimentale, dans laquelle des tubes en acier inox avec différentes géométries (rayon/épaisseur) sont « découpés » selon une génératrice. Une instrumentation adéquate, couplant des mesures ponctuelles, à l’aide de jauges de déformation, et une méthode champ par corrélation d’image, nous a permis de correctement mettre en exergue la phénoménologie, en particulier les cinématiques induites à l’échelle géométrique de la fissure (front de fissure) ainsi qu’à l’échelle du tube, avec les longueurs d’onde de flambage observées à l’aval de la fissure. La modélisation numérique menée en non linéaire géométrique (flambage), matériau (déchirure ductile), et conditions aux limites (contact) est aussi abordée à l’aide du code de calcul Abaqus/Standard. Pour la gestion de la propagation de la fissure, deux modèles de rupture sont proposés. Le premier modèle dit zone cohésive est développé et implanté dans le code Abaqus via la subroutine UEL. Pour la deuxième modélisation, nous avons utilisé le modèle dit « d’endommagement ductile » du code Abaqus. La modélisation via des éléments massifs ou des éléments coques volumiques ainsi que l’utilisation de ces modèles de rupture permettent de corroborer les observations expérimentales. Ces travaux montrent que l’augmentation de la charge inhérente au déplacement de l’outil de « découpe », induit une extension dans la direction circonférentielle et donc une striction dans la direction radiale amenant finalement la rupture. Lors de la rupture, un « sillage plastique » apparait, relativement large, près et parallèle aux bords de la fissure. « Confiné » par les autres parties du tube qui restent élastiques, des contraintes de compression axiale résiduelles apparaissent dans ce sillage plastique, à l’aval de la fissure, leur intensité est suffisante pour produire les ondulations des bords libres qui traduisent un flambage local. Les contraintes résiduelles liées à l’opération de découpe induisent donc le flambage. / When one uses a tool to cut a sheet metal, or a tube according to his axis, as one propagates the crack which translates cutting it arrives that undulations of buckling disturb the two free edges generated by the propagation of the crack. This study aims at analyzing the origins of this behavior. We conducted an experimental campaign, in which stainless steel tubes with various geometries (radius/thickness) are « cut out » according to a generator. An adequate instrumentation, coupling of specific measurements, using strain gauges, and a field method, by digital image correlation, allowed us accurately to put forward phenomenology, in particular the kinematics at the scale of the crack (ahead of crack tip) and at the level of tube, with the wavelengths of buckling observed at the downstream of the crack tip. The numerical modeling taking into account nonlinearities of material (ductile tear), geometry (buckling) and boundary conditions (contact) is also approached using the code Abaqus/Standard. For the management of the crack propagation, two rupture models are proposed. The first model called cohesive zone is developed and implemented in the Abaqus code via the user routine UEL. For the second modeling, we used the model called “ductile damage model” in the Abaqus code. Modeling via solid elements or shell continuum elements as well as the use of these rupture models make it possible to corroborate the experimental observations. These studies show that the increase of the load inherent in the displacement of the tool of « cutting » induced a circumferential extension of the tube that leads to a local necking in the radial direction bringing the rupture finally. During the failure, a “plastic wake” appears, relatively wide, close and parallel to crack lips. Constrained by other parts of the tube which remain elastic, sufficient axial residual compressive stresses produced in this plastic wake produce the undulations which represents a local buckling. The residual stresses related to the operation of cutting thus induce buckling.