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.

L'alliage d'aluminium 6061-T6 a été retenu pour la fabrication du caisson-coeur du futur réacteur expérimental Jules Horowitz (RJH). L'objectif de cette thèse est de comprendre et modéliser le comportement et l'endommagement de cet alliage en traction et en ténacité, ainsi que l'origine de l'anisotropie d'endommagement. Il s'agit de faire le lien entre la microstructure et l'endommagement du matériau à l'aide d'une approche micromécanique. Pour ce faire, la microstructure de l'alliage, la structure granulaire et es précipités grossiers ont été caractérisés en utilisant des analyses surfaciques (Microscopie Électronique à Balayage) et volumiques (tomographie/laminographie X). Le mécanisme d'endommagement a été identifié par des essais de traction sous MEB in-situ, des essais de tomographie X ex-situ et des essais de laminographie X in-situ pour différents taux de triaxialité. Ces observations ont notamment permis de montrer que la germination des cavités sur les précipités grossiers de type Mg2Si est plus précoce que sur les intermétalliques au fer. Le scénario identifié et les grandeurs mesurées ont ensuite permis de développer un modèle d'endommagement couplé, basé sur l'approche locale de la rupture, de type GTN intégrant la germination, la croissance et la coalescence des cavités. Le lien entre l'anisotropie d'endommagement et de forme/répartition des précipités a pu être montré. Cette anisotropie microstructurale modifie les mécanismes : Pour une sollicitation dans le sens long l'endommagement est majoritairement intergranulaire alors que dans le sens travers on observe un endommagement mixte intergranulaire et intragranulaire. La prise en compte des mesures de l'endommagement dans la simulation a permis d'expliquer l'anisotropie d'endommagement. Ce travail servira de référence pour les études futures qui seront menées sur le matériau irradié. / The AA6061-T6 aluminum alloy was chosen as the material for the core vessel of the future Jules Horowitz testing reactor (JHR). The objective of this thesis is to understand and model the tensile and fracture behavior of the material, as well as the origin of damage anisotropy. A micromechanical approach was used to link the microstructure and mechanical behavior. The microstructure of the alloy was characterized on the surface via Scanning Electron Microscopy and in the 3D volume via synchrotron X-ray tomography and laminography. The damage mechanism was identified by in-situ SEM tensile testing, ex-situ X-ray tomography and in-situ laminography on different levels of triaxiality. The observations have shown that damage nucleated at lower strains on Mg2Si coarse precipitates than on iron rich intermetallics. The identified scenario and the in-situ measurements were then used to develop a coupled GTN damage model incorporating nucleation, growth and coalescence of cavities formed by coarse precipitates. The relationship between the damage and the microstructure anisotropies was explained and simulated.

Le massif de marbres de Saint-Béat se situe dans la Zone Interne Métamorphique des Pyrénées centrales françaises. Il est formé de sédiments mésozoïques métamorphisés lors de l'événement métamorphique extensif Haute température - Basse pression classiquement décrit dans les Pyrénées. L'objet de cette thèse est de caractériser la déformation ductile et la fracturation qui affectent ce massif, et de déterminer dans quelle mesure les processus responsables de la fracturation peuvent être influencés par l'état de déformation. Les caractéristiques de la déformation des marbres et de ses roches encaissantes seront déterminées essentiellement grâce aux orientations préférentielles des axes de la calcite (marbre) et du quartz (socle paléozoïque), déterminées à l'aide de mesures à l'EBSD. L'observation en lame mince des textures de la calcite permet de quantifier les taux de déformation et d'estimer la température de cette déformation. Combinés aux observations de terrain, ces résultats permettent de proposer un modèle structural retraçant l'évolution du bassin depuis l'extension aptio-albienne jusqu'à son état actuel. La fracturation du massif est ensuite regardée à différentes échelles, depuis la photo aérienne jusqu'à l'affleurement. Quatre zones seront étudiées en détail afin de classifier les fractures par familles de mêmes caractéristiques et de reconstituer localement les paléo-régimes de contraintes. On comparera les tenseurs obtenus avec les régimes tectoniques décrits dans la littérature. Trois faciès légèrement différents de marbre servent de base à une étude visant à discuter de l'état d'anisotropie de la roche. Ainsi, des essais en compression simple, en traction indirecte et des mesures de vitesses acoustiques sont pratiqués sur des carottes orientées réalisées dans ces trois faciès ; leurs résultats donnent accès aux caractéristiques internes de la roche. On comparera et discutera les résultats d'un faciès à l'autre, et au sein du même faciès, d'une orientation à l'autre. Les résultats obtenus sur la fracturation servent de guide à la classification des fractures observées sur les fronts de tirs, lors du creusement du tunnel routier de Saint-Béat, recoupant le massif sur plus d'un kilomètre du Nord au Sud. / The Saint-Béat massif, composed of different marble facies, is part of the Internal Metamorphic Zone of the French Central Pyrenees. It is formed by Mesozoic sediments metamorphosed by the High Temperature – Low Pressure extensional event, classically described in the Pyrenees. The aim of this work is to characterize the deformation and fractured state of the massif, and to understand how the former can constrain the latter. The ductile deformation state is recorded in calcite grains for Mesozoic rocks, or in quartz grains for Paleozoic rocks. Their preferential lattice orientations have been measured with the EBSD method. Calcite texture observations give indications about deformation rates and temperatures. These results, in addition with field observations, allow us to rebuild the structural evolution of the massif, from the Albian extension. Fracturing along the massif is described at different scales. Four outcrops are selected in order to characterize and to classify fractures, and locally reconstruct the paleo stress tensor. The obtained tensors are presented and compared to those already published. Three slightly different marble facies are used to discuss the degree of anisotropy of the rock. Mechanical experiments such as compression tests, tensile tests and velocity measurements of elastic waves are carried out on oriented cores within these three facies. These results provide internal rock characteristics which are discussed and compared for the three facies, and for different orientations of the cores.

Nous avons étudié la sensibilité du T91 à la fragilisation par le sodium liquide. Une procédure expérimentale a été mise en place afin de procéder à des essais mécaniques en sodium sous atmosphère inerte. Grâce à l’introduction d’une étape préliminaire d’exposition au sodium, la mouillabilité du T91 par le sodium liquide et la structure de l’interface sodium/acier ont pu être étudiés en fonction des différents paramètres d’exposition. Une réduction significative des propriétés mécaniques est observée quand le mouillage de l’acier par le sodium est bon. L’utilisation de différentes teneurs en oxygène et en hydrogène suggère que l’oxygène joue un rôle primordial dans l’amélioration de la mouillabilité du T91. La sensibilité du phénomène de fragilisation à la vitesse de sollicitation et à la température a été caractérisée. A partir de ces résultats, l’existence d’une transition fragile/ductile, fonction de ces deux paramètres a été mis en évidence. L’étude de cette transition suggère qu’une étape de diffusion du sodium dans les joints de grains du T91 est limitante pour la fragilisation. Des analyses en microscopie électronique en transmission et par cartographies d’orientation de fissures arrêtées ont également permis de constater que le mode de rupture est interlatte ou intergranulaire, fournissant ainsi une image cohérente du processus de fragilisation. La même méthodologie a été appliquée à l’acier non allié XC10. Les résultats montrent un comportement en tous points similaire à celui de l’acier T91 et suggèrent donc un mécanisme commun pour les aciers cubiques centrés. De plus, ils confirment que la transition fragile ductile observée semble la conséquence d’une vitesse de propagation de fissure fragile relativement limitée. Cette propagation est activée thermiquement avec une énergie d’activation d’environ 50 kJ/mol. Enfin, il a été montré que l’acier austénitique 304L est également sensible à la fragilisation par le sodium liquide. Certaines surfaces de rupture témoignent clairement d’une rupture intergranulaire, cependant des interrogations persistent à propos du chemin de fissuration. / We studied the sensitivity of T91 steel to embrittlement by liquid sodium. An experimental procedure was set up to proceed to mechanical testing in sodium under an inert atmosphere. The introduction of a liquid sodium pre-exposure step prior to mechanical testing enabled the study of both the wettability of T91 by sodium and the structure of the sodium steel/interface as a function of the exposure parameters. The mechanical properties of T91 steel are significantly reduced in liquid sodium provided the wetting conditions are good. The use of varying oxygen and hydrogen concentrations suggests that oxygen plays a major role in enhancing the wettability of T91. The sensitivity of the embrittlement to strain rate and temperature was characterized. These results showed the existence of a ductile to brittle transition depending on both parameters. Its characterization suggests that a diffusion step is the limiting rate phenomenon of this embrittlement case. TEM and EBSD analysis of arrested cracks enabled us to establish that the fracture mode is interlath or intergranular. This characteristic is coherent with the crack path commonly reported in liquid metal embrittlement. A similar procedure was applied to the unalloyed XC10 steel. The results show a behavior which is similar to the one of T91 steel and suggest a common mechanism for liquid sodium embrittlement of body centered cubic steels. Moreover, they confirm that the ductile to brittle transition seems associated with a limited crack propagation rate. The propagation is thermally activated with activation energy of about 50 kJ/mol. Finally, it was shown that 304L austenitic steel is sensitive to liquid sodium embrittlement as well. Some fracture surfaces testify of an intergranular fracture mode, but some questions still remain about the crack path.

La rupture ductile des alliages métalliques survient suite à la nucléation, la croissance et la coalescence de microcavités. La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude des effets de forme et d'anisotropie plastique sur la phase de croissance des cavités. Dans un premier temps, nous implémentons numériquement le modèle de croissance de Madou et Leblond pour des cavités ellipsoïdales générales plongées dans un matériau isotrope dans un code de calcul par éléments finis, afin d'appliquer le modèle à des cas de rupture où les effets de forme sont importants. On montre que la prise en compte des effets de forme des cavités est nécessaire afin de reproduire la rupture ductile en cisaillement. Ce modèle est ensuite étendu au cas de l'anisotropie plastique, en s'inspirant des travaux de Monchiet et Benzerga. On dérive notamment un critère de plasticité macroscopique pour les matériaux anisotropes contenant des cavités ellipsoïdales générales, que nous validons par analyse limite numérique. La seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude des effets de taille sur la rupture ductile des matériaux nanoporeux contenant des cavités sphériques ou sphéroïdales. Enfin, la troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude des effets de forme et d'anisotropie plastique sur la phase de coalescence des cavités. Nous dérivons deux nouveaux critères de coalescence en couche que nous validons par analyse limite numérique. Cette étude nous permet de développer un nouveau critère permettant d'unifier les phases de croissance et coalescence. Enfin nous dérivons un critère de coalescence pour les matériaux anisotropes. / Ductile fracture of metallic alloys occurs by the nucleation, growth and coalescence of microvoids. In a first step, we study the influence of void shape effects and plastic anisotropy on the growth phase. we implement numerically in a finite element code the void growth model of madou and leblond for ellipsoidal voids embedded in an isotropic material, in order to apply the model to ductile fracture problems involving important void shape effects. We show that the consideration of void shape effects is necessary in order to reproduce shear-dominant ductile fracture. This model is then extended to plastic anisotropy, in the spirit of the models of monchiet and benzerga. In particular, we derive a macroscopic criterion for anisotropic materials containing general ellipsoidal voids, which is assessed by finite element limite analyses. In a second step, we study the effects of void size on the ductile fracture of nanoporous materials contenant spherical or spheroidal voids. The last part of the thesis is dedicated to the study of void shape effects and plastic anisotropy on the coalescence phase. We derive two new criteria of coalescence by internal necking, which are assessed numerically. Then, we derive a new criterion that permits to unify the growth and coalescence phases. Finally we study the influence of plasticy anisotropy on coalescence by internal necking.

This diploma thesis is an introduction to the ductile fracture under large plastic deformations and is focused to numerical simulation of this type of problems. Explicit finite element method (FEM) is discussed in theoretical introduction as the most powerful tool for numerical calculations in this area. Actual state of research and possibilities of ductile fracture simulations are presented. Applicable fracture criteria are collected in a summary sheet and the most important ones are selected and commented in detail. The problem of implementation of selected criteria into commercial FEM packages is discussed, too. Main part of the work is presented in chapters 7÷9 where two ductile fracture criteria (Equivalent Fracture Strain and Johnson-Cook) are applied to numerical simulation of material cutting. All results were obtained with ABAQUS/Explicit 6.5.1 and their verification was realized by experimental measurement.

This diploma thesis is focused on production and problems in production of thin-walled ductile iron castings, especially in the inoculation process. The focus is on the influence of elements on the structure and mechanical properties of ductile iron and as well as the influence of some elements, that are commonly used in inoculation alloys. Furthermore, the factors that affect the production technology are written, i.e., solidification rate, wall thickness, cooling rate, and factors used for affecting the thin-walled castings production, i.e., the use of insulating moulding compounds and increasing the graphite nodule count. At the end of the theoretical part, important production processes are analysed, namely inoculation and spheroidization. The experimental part is focused on influencing the structure and mechanical properties using several types of inoculants of different chemical compositions, whereas the tested thicknesses of the test plates are 3-, 5- and 8-mm. Hardness, tensile strength and ductility are evaluated on these plates. Finally, the volume of ferrite in the structure, shape and size of the graphite nodules were examined.

<p>U disertaciji je izvršena karakterizacija mikrostrukture i mehaničkih osobina<br />nelegiranog austemperovanogi nodularnog liva (ADI materijala), kao i uticaja<br />mikrostrukture na prelaznu temperaturu u intervalu od -196 do +100&deg;C.<br />Utvrđeno je da mehaničke osobine ADI-ja zavise od morfologije ausferitne<br />mikrostrukture i količine zadržanog austenita, tj. parametara austemperovanja.<br />Na osnovu mehaničkih osobina utvrđen je i opseg procesiranja u skladu sa<br />standardima ASTM, ISO i EN. Zaključeno je da prelazna temperatura ADI<br />materijala zavisi od količine i stabilnosti zadržanog austenita. U višem<br />temperaturnom opsegu (iznad cca. -25&deg;C) dominantna je količina zadržanog<br />austenita, dok na nižim temperaturama, stabilnost. Visoka obogaćenost<br />ugljenikom, stabilnog zadržanog austenita sprečava stvaranje martenzita na<br />niskim temperaturama, a time i pojavu krtosti kod ADI-ja.</p> / <p>The object of this thesis was to characterize microstructure and mechanical properties<br />of the unalloyed ADI material (Austempered Ductile Iron). In addition, the influence of<br />microstructure on the ductile to brittle transition temperature (DBTT) by Charpy impact<br />test in temperature interval from 196 to +100&deg;C has been studied. The all properties<br />obtained depend on the morphology of microstructure and the amount of retained<br />austenite, i.e. on the austempering parameters. According to the mechanical properties<br />and standard requirements (ASTM, ISO and EN) the processing window has been<br />proposed, also. It was found that DBTT is influenced by amount and stability of retained<br />austenite. In upper temperature range (above cca. 25&deg;C) the most influence factor on<br />DBTT is amount of retained austenite, while at the lower temperatures the stability is<br />more prominent. Stability of high carbon retained austenite at lower temperatures<br />prevents transformation to martensite and thus the embrittlement of ADI.</p>

Pour répondre à la demande croissante d’allègement des véhicules automobiles, les aciéristes développent une nouvelle gamme d’aciers à Très Haute Résistance (THR), dite de troisième génération. Cette thèse, inscrite dans le projet ANR MATETPRO « MeMnAl Steels », s’intéresse plus particulièrement à deux nouvelles familles d’aciers THR Fe-C-Mn-Al, produites par ArcelorMittal et potentielles candidates pour la caisse en blanc des futurs véhicules. Elle vise à mieux cerner les paramètres microstructuraux permettant de contrôler et optimiser le comportement à rupture de ces aciers.Pour représenter les deux familles d’aciers, deux matériaux modèles ont été élaborés par laminage puis recuit intercritique, conduisant à une microstructure duplex : austénite retenue (γr, pouvant se transformer en martensite par effet TRIP) et ferrite. La microstructure du premier acier, dite UFG, est ultrafine (grains de taille inférieure au micromètre) tandis que celle du second est bimodale, mêlant gros grains de ferrite δ et régions à grains fins de ferrite α et d’austénite retenue γr.Les propriétés mécaniques de la microstructure UFG dépendent fortement de la température de recuit, en raison des variations de stabilité de l’austénite retenue. A l’inverse, la microstructure bimodale est très robuste vis-à-vis de la température de recuit mais très sensible à la température d’essai. L’endommagement en traction et en résilience est très peu développé pour ces deux familles. Il est localisé aux interfaces ferrite-martensite (formée pendant l’essai). Le lien entre les modes de rupture et la microstructure bimodale, étudié à l’aide d’essais Charpy, a montré l’existence de deux transitions distinctes de mode de rupture : une transition entre rupture ductile à grandes cupules et clivage pour les gros grains de ferrite δ et une transition entre rupture interfaciale et rupture ductile à fines cupules pour les zones à grains fins {α + γr}. La rupture de la microstructure UFG est ductile à température ambiante et interfaciale à plus basse température. Cette microstructure UFG peut être vue comme un matériau modèle représentant les régions à grains fins {α + γr} de la microstructure bimodale.Pour les deux familles d’aciers, le comportement élastoplastique comme le comportement à rupture semblent dominés par la stabilité de l’austénite retenue. / To fulfil the increasing demand on lightweighting automotive vehicles, steelmakers are developing a third generation of Advanced High Strength Steels (AHSS). This work, part of the ANR project MATETPRO “MeMnAl Steels”, addressed two new families of third generation AHSS produced by ArcelorMittal which may be used for the body in white of upcoming cars. It aimed at improving our current understanding of the microstructural features allowing controlling and optimizing the fracture behavior of this steel family.Two model materials were manufactured by hot and cold rolling followed by intercritical annealing. The resulting, so-called duplex microstructure is a mixture of ferrite and retained austenite (γr, which can transform into martensite by TRIP effect). The microstructure of the first steel was made of ultra-fine grains (UFG) of ferrite and retained austenite (grain size below one micrometer), while the second steel possessed a bimodal microstructure made of coarse δ-ferrite grains and fine-grained regions of α-ferrite and retained austenite γr.The mechanical properties of the UFG microstructure were strongly sensitive to the annealing temperature, due to variations in the stability of retained austenite. On the contrary, the bimodal microstructure was very robust regarding the annealing temperature but very sensitive to the test temperature. For these two families, damage development is scarce and mainly located at ferrite-martensite interfaces. Charpy impact tests on steels with the bimodal microstructure showed that each microstructural region presents its own fracture mechanisms and a specific ductile-to-brittle transition. A transition from brittle cleavage to large-dimpled, ductile fracture was observed for coarse δ-ferrite grains, while fined-grained regions presented a transition from interfacial fracture to fine-dimpled, ductile fracture. Fracture of the UFG microstructure was ductile at room temperature and interfacial at lower temperatures. This UFG microstructure can be interpreted as a model material embodying the behavior of the fine-grained {α + γr} regions in the bimodal microstructure.For both two steels, the constitutive and fracture behavior seem to be dominated by the stability of retained austenite.

L'irradiation peut modifier les propriétés mécaniques des aciers inoxydables austénitiques. Une diminution de la ténacité à la rupture des aciers en fonction de la dose est observée. La rupture ductile due à la croissance et la coalescence des cavités est toujours un mécanisme dominant dans les aciers irradiés jusqu'à 10 dpa. Des cavités peuvent être crées de manière différente : nucléées à partir des inclusions ou des précipités d'irradiation, ou créées directement par irradiation. Cette thèse a pour objectif d'étudier la rupture ductile des aciers irradiés due à la croissance et la coalescence des cavités intragranulaires. Basée sur la plasticité cristalline, des simulations en éléments finis sont effectuées sur les cellules unitaires pour étudier l'effet de l'orientation cristallographique et de la triaxialité de contraintes sur la croissance et la coalescence des cavités. L'effet de l'écrouissage post-irradiation sur la croissance et la coalescence des cavités est étudié avec un modèle de la plasticité cristalline prenant compte des défauts d'irradiation. En outre, un modèle élastomère-visco-plastique en grandes transformations est proposé pour décrire la croissance des cavités dans le monocristal. Le modèle est appliqué à la simulation de l'endommagement ductile dans le monocristal et le polycristal. Des cavités peuvent avoir des tailles différentes et la taille peut avoir une influence sur la ténacité à la rupture des aciers. Afin d'étudier cet effet, un modèle micromorphe de plasticité cristalline est proposé et appliqué à la simulation de la croissance et la coalescence des cavités intragranulaires de différentes tailles ainsi qu'aux phénomènes de localisation dans les monocristaux. / Irradiation causes drastic modifications of mechanical properties of austenitic stainless steels and a decrease in the fracture toughness with irradiation has been observed. Ductile fracture due to void growth and coalescence remains one dominant fracture mechanism for doses in the range of 0-10 dupa. Voids may have different origins : nucleated at inclusions or irradiation-induced precipitates during mechanical loading, or produced directly by irradiation. The present work is to investigate ductile fracture of irradiated steels due to growth and coalescence of intragranulaire voids. Based on continuum crystal plasticity theory, FE simulations are performed on unit cells for studying effects of lattice orientation and stress triaxiality on void growth and coalescence. The influence of post-irradiation hardening/softening on void growth ans coalescence is evaluated with a physically based crystal plasticity model. Besides, an elastoviscoplastic model at finite strains is proposed to describe void growth up to coalescence in single crystals, and is assessed based unit cell simulations. The model is then applied to simulate ductile damage in single crystals ans polycrystals. As voids in irradiated steels may have different origins, they may have different sizes, which potentially have an influence on ductile fracture process and fracture toughness of irradiated steels. In order to assess the size effect, a micromorphic crystal plasticity model is proposed and applied to simulate growth and coalescence of intragranular voids of different sizes.