Les aciers inoxydables martensitiques au chrome sont développés depuis les années 70 avec pour objectif aujourd'hui de les utiliser comme matériau de structure dans les centrales thermiques (Circuits de refroidissement, turbine) et nucléaires (Cuve du réacteur...). L'acier de l'étude i.e. l'acier 9Cr1Mo-NbV est déjà utilisé dans des centrales thermiques principalement en Angleterre et au Japon. Compte tenu de l'importance des composants, l'assemblage par soudage est une technique largement utilisée. Un intérêt tout particulier est porté dans cette étude à l'évaluation de la durée de vie des composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV après la constatation de plusieurs ruptures en service prématurées au niveau des soudures.<br />L'étude réalisée avait donc pour objectif d'identifier expérimentalement et de modéliser le comportement, l'endommagement et la rupture en fluage haute température (typiquement dans le domaine de température 450°C - 650°C) de composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV.<br />Pour cette étude, le métal de base a d'abord été étudié comme matériau de référence. Il est notamment démontré que les résultats expérimentaux à 1000 heures ne peuvent pas être utilisés, comme il est usuel de le faire, pour prédire la durée de vie en fluage à 100000 heures. La raison de cette impossibilité est l'existence d'un changement de mécanisme de comportement et d'endommagement aux temps longs. Pour représenter ce changement de mécanisme, un modèle de fluage couplant comportement et endommagement et intégrant plusieurs mécanismes de déformation a été développé suivant les développements de la mécanique des milieux poreux initiés par Gurson. Le modèle a été identifié sur la base de résultats expérimentaux sur diverses géométries d'éprouvettes permettant notamment de prendre en compte les effets de la triaxialité sur le développement de l'endommagement. L'étude a par ailleurs mis en évidence une bonne capacité du modèle à prédire les lieux de rupture ainsi que l'amorçage et la propagation stable de fissure.<br />L'attention a ensuite été portée à la tenue en fluage des composants soudés qui présentent une résistance au fluage très inférieure à celle du métal de base due à la faiblesse de la zone affectée thermiquement (ZAT). Pour ce faire, deux niveaux d'investigation ont du être explorés. D'une part, le soudage induit des modifications métallurgiques et donc des modifications locales des propriétés mécaniques du métal de base : c'est un effet matériau. D'autre part, les différences de propriétés mécaniques rendent complexes l'état de chargement de l'assemblage soudé : c'est un effet de structure.<br />L'effet matériau a été étudié en identifiant la ZAT faible des composants soudés, en la reproduisant sur échantillons massifs, puis en testant des éprouvettes de fluage usinées dans ces mêmes échantillons massifs. Il a été ainsi possible d'utiliser le modèle multi-mécanismes développé pour l'étude sur métal de base afin de modéliser le comportement et l'endommagement de fluage haute température de la ZAT faible dans toute la gamme de contrainte.<br />Finalement, des calculs éléments finis multi-matériaux ont été réalisés en considérant le composant soudé comme l'assemblage de trois microstructures : le métal d'apport, le métal de base et la ZAT faible dont les équations constitutives respectives ont été intégrées aux calculs. Il a ainsi été possible d'identifier les effets de type structure mais surtout de prédire la durée de vie des composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV y compris pour des composants industriels.

Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de la future génération de réacteurs nucléaires, la génération IV. L'acier Grade 92, appartenant à la famille des aciers à 9-12% de chrome, est un candidat potentiel pour des composants de cette future génération de centrales. Ces structures sont assemblées par soudage.L'objectif de ce projet est de caractériser expérimentalement et de modéliser le comportement en fluage à 550°C de ces joints soudés en acier Grade 92 (9Cr-0,5Mo-1,8W-V-Nb).L'une des grandes problématiques des soudures en acier à 9 % de chrome est leur sensibilité à la rupture de type IV (rupture en zone intercritique (ICHAZ) ou dans la zone à petits grains (FGHAZ)) qui se produit généralement lors de sollicitations en fluage à basses contraintes et à hautes températures.Deux produits d'apports sont utilisés pour l'étude. Les soudures sont issues de l'assemblage par procédés TIG de deux tubes en position bout à bout. Une campagne d'essais de fluage à 550 °C sur éprouvettes travers joint en acier Grade 92 a été menée. Les expertises réalisées sur les éprouvettes de fluage indiquent que la rupture se produit en ICHAZ y compris pour les essais de fluage les plus courts (moins de 1000h).La modélisation du comportement en fluage du joint soudé complet a nécessité au préalable d'obtenir un modèle de comportement de chaque zone, en particulier de l'ICHAZ et de la zone fondue.Des essais de fluage sur des éprouvettes entaillées prélevées dans le joint ont permis d'accéder au comportement en fluage de ces deux zones. Une méthode complémentaire a été utilisée afin d'obtenir le comportement en fluage de l'ICHAZ. Cette méthode consiste à réaliser des essais de fluage sur des éprouvettes en microstructure de synthèse de la zone intercritique.Une caractérisation microstructurale fine de différentes zones de la soudure a été entreprise. Afin de comprendre les raisons de la faible résistance mécanique en fluage de l'ICHAZ, les microstructures de l'ICHAZ et du métal de base ont comparées à différentes échelles (MEB, EBSD, MET). Cette comparaison a également permis de valider la microstructure de synthèse. La caractérisation microstructurale des deux zones ne révèle pas de différences significatives ni sur la matrice de martensite revenu, ni en termes de précipitation. L'origine de sa moindre résistance à l'écoulement viscoplastique n'est donc pas résolue.Un effet de structure lié aux différences de propriétés mécaniques des zones de la soudure, est quantitativement étudié par modélisation des essais de fluage sur joint complet.

Dans une démarche globale d'allègement des structures aéronautiques assemblées par soudage (projet ASA avec EADS et ALCAN), le dimensionnement en tolérance au dommage nécessite de connaitre les tailles admissibles des fissures sur les panneaux structuraux de fuselage. Les alliages d'aluminium utilisés dans l'aéronautique ont une ténacité élevée. Les normes appliquées conduisent donc à faire des essais (dits de courbe R) sur de larges plaques. Ces essais sont très couteux et difficiles à modéliser par une approche globale de la rupture. Une approche locale pourrait etre utilisée pour modéliser la ténacité des joints soudés et limiter ainsi le nombre d'essais sur larges plaques.<br />Un des enjeux majeurs de ce travail est l'étude du comportement des tôles et des joints soudés en alliage d'aluminium 6056 des structures aéronautiques pour les fuselages des avions. Le but est de mettre en évidence, d'une part, l'effet d'épaisseur et d'écrouissage des tôles laminées sur les modes de rupture et d'autre part, les mécanismes de rupture mis en jeu dans un joint soudé par laser CO2. Cela nécessite alors la caractérisation de la microstructure et des propriétés mécaniques des tôles et des différentes zones du joint soudé telles que la zone fondue, la zone affectée thermiquement et le métal de base. Différents types d'essais mécaniques sont menés sur des éprouvettes lisses, entaillées et des éprouvettes de fissuration de type Kahn. Ils permettent d'identifier les paramètres du modèle d'approche locale associés aux tôles d'aluminium et aux différentes zones de la soudure pour modéliser par éléments finis les mécanismes de rupture.

Les aciers inoxydables martensitiques au chrome sont développés depuis les années 70 avec pour objectif aujourd'hui de les utiliser comme matériau de structure dans les centrales thermiques (Circuits de refroidissement, turbine) et nucléaires (Cuve du réacteur...). L'acier de l'étude i.e. l'acier 9Cr1Mo-NbV est déjà utilisé dans des centrales thermiques principalement en Angleterre et au Japon. Compte tenu de l'importance des composants, l'assemblage par soudage est une technique largement utilisée. Un intérêt tout particulier est porté dans cette étude à l'évaluation de la durée de vie des composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV après la constatation de plusieurs ruptures en service prématurées au niveau des soudures. L'étude réalisée avait donc pour objectif d'identifier expérimentalement et de modéliser le comportement, l'endommagement et la rupture en fluage haute température (typiquement dans le domaine de température 450°C - 650°C) de composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV. Pour cette étude, le métal de base a d'abord été étudié comme matériau de référence. Il est notamment démontré que les résultats expérimentaux à 1000 heures ne peuvent pas être utilisés, comme il est usuel de le faire, pour prédire la durée de vie en fluage à 100000 heures. La raison de cette impossibilité est l'existence d'un changement de mécanisme de comportement et d'endommagement aux temps longs. Pour représenter ce changement de mécanisme, un modèle de fluage couplant comportement et endommagement et intégrant plusieurs mécanismes de déformation a été développé suivant les développements de la mécanique des milieux poreux initiés par Gurson. Le modèle a été identifié sur la base de résultats expérimentaux sur diverses géométries d'éprouvettes permettant notamment de prendre en compte les effets de la triaxialité sur le développement de l'endommagement. L'étude a par ailleurs mis en évidence une bonne capacité du modèle à prédire les lieux de rupture ainsi que l'amorçage et la propagation stable de fissure. L'attention a ensuite été portée à la tenue en fluage des composants soudés qui présentent une résistance au fluage très inférieure à celle du métal de base due à la faiblesse de la zone affectée thermiquement (ZAT). Pour ce faire, deux niveaux d'investigation ont du être explorés. D'une part, le soudage induit des modifications métallurgiques et donc des modifications locales des propriétés mécaniques du métal de base: c'est un effet matériau. D'autre part, les différences de propriétés mécaniques rendent complexes l'état de chargement de l'assemblage soudé: c'est un effet de structure. L'effet matériau a été étudié en identifiant la ZAT faible des composants soudés, en la reproduisant sur échantillons massifs, puis en testant des éprouvettes de fluage usinées dans ces mêmes échantillons massifs. Il a été ainsi possible d'utiliser le modèle multi-mécanismes développé pour l'étude sur métal de base afin de modéliser le comportement et l'endommagement de fluage haute température de la ZAT faible dans toute la gamme de contrainte. Finalement, des calculs éléments finis multi-matériaux ont été réalisés en considérant le composant soudé comme l'assemblage de trois microstructures: le métal d'apport, le métal de base et la ZAT faible dont les équations constitutives respectives ont été intégrées aux calculs. Il a ainsi été possible d'identifier les effets de type structure mais surtout de prédire la durée de vie des composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV y compris pour des composants industriels.

Pour rester à la pointe de l’innovation, les constructeurs automobiles s’intéressent au développement de châssis allégés dans l’objectif de diminuer la consommation de carburant et d’améliorer la conduite. Les procédés d’assemblages représentent une part importante du coût d’un châssis et les joints sont les zones les plus critiques d’un assemblage. Cette maitrise s’intéresse à la problématique du soudage dans le cadre de l’utilisation d’alliage d’aluminium pour des structures soumis à des sollicitations de fatigue. Ce travail est axé autour d’une méthodologie mise en place pour l’étude d’un joint générique provenant d’un châssis de véhicule automobile. Nous avons tout d’abord cherché à obtenir la courbe contrainte-déformation précise de l’aluminium 6061T6 utilisé pour le châssis par des essais de traction sur éprouvettes. Des essais de traction et de dureté ont également été réalisés afin de déterminer l’impact d’un cordon de soudure sur la tenue mécanique de l’assemblage. Nous avons ensuite étudié un joint particulier du joint. La méthodologie a été d’abord applique à un joint en acier afin de valider la démarche. Un gabarit a été conçu afin de reproduire le chargement réel subit par le joint ainsi qu’un modèle numérique de cet ensemble pour déterminer les valeurs de vérin a appliqué par les vérins du banc d’essai de fatigue. Cet essai a permis de valider la démarche qui a ensuite été appliquée au joint en aluminium. Cet essai a permis de valider la géométrie et le procédé d’assemblage utilisé pour le châssis en aluminium.

Dans le cadre de la mise au point des nouveaux réacteurs de la Génération IV, la France s'attache notamment à la conception du Very High Temperature Reactor, qui prévoit l'utilisation de matériaux devant résister à plus hautes températures et plus longtemps. Parmi les matériaux existants, AREVA a fait le choix de déterminer le comportement mécanique du Grade 91 (Fe-9Cr-1Mo-Nb-V) pour équiper les gros composants. Ces gros composants sont des structures soudées, si bien que les soudures, points faibles potentiels, doivent être étudiées. Les trois partenaires industriels (AREVA, CEA, EDF) ont lancé une étude commune en octobre 2005 avec le Centre des Matériaux sur le fluage d'un Grade 91, métal de base et joint soudé, à 500°C pour des durées d'exposition allant jusqu'à 4500 h. <br /><br /> Des essais de vieillissement thermique, de traction et de fluage à 450°C et 500°C, sur du métal de base et du joint soudé ont été réalisés. Différentes géométries d'éprouvettes de fluage de joint soudé ont été testées. Aucune évolution significative de la microstructure n'a été constatée en termes de nature et de taille de précipités et de dimension de la sous-structure par rapport à la microstructure avant essai. Peu d'endommagement par cavitation a pu être mis en évidence. Le mécanisme qui conduit à la ruine finale du matériau après fluage est de type viscoplastique à 500°C, contrairement à 625°C où l'endommagement par cavitation est la cause principale de la rupture des éprouvettes de fluage pour les temps d'exposition les plus longs.<br /><br />A partir des courbes expérimentales de fluage du métal de base et du joint soudé entier, un modèle phénoménologique de comportement de type Norton à 500°C est proposé. L'exposant de Norton du métal de base est de 19, alors que celui du joint soudé entier est de 18. Ces valeurs suggèrent la présence de contraintes internes et indiquent que le glissement des dislocations peut être le mécanisme qui contrôle la déformation par fluage. Les éprouvettes de joint soudé cassent dans le métal fondu en fluage et dans le métal de base en traction. La zone affectée thermiquement n'a pas de rôle visible dans la résistance de la structure à 500°C, du moins jusqu'à 4500 h. De ce fait, une décomposition en série du comportement en fluage du joint soudé entier peut être faite à l'aide de ceux du métal fondu et du métal de base. Connaissant le comportement du métal de base et du joint soudé entier, il est possible d'ajuster les paramètres du modèle au métal fondu. Une autre méthode d'ajustement des paramètres du métal fondu est également proposée à partir des essais sur une géométrie amincie contenant uniquement du métal fondu. Les résultats de ces modèles sont cohérents avec les données de la littérature. Ce modèle permet de prédire le temps à rupture à plus long terme, en bon accord avec des résultats du CEA, avec des outils simples de modélisation.

Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de la future génération de réacteurs nucléaires, la génération IV. L'acier Grade 92, appartenant à la famille des aciers à 9-12% de chrome, est un candidat potentiel pour des composants de cette future génération de centrales. Ces structures sont assemblées par soudage.L'objectif de ce projet est de caractériser expérimentalement et de modéliser le comportement en fluage à 550°C de ces joints soudés en acier Grade 92 (9Cr-0,5Mo-1,8W-V-Nb).L'une des grandes problématiques des soudures en acier à 9 % de chrome est leur sensibilité à la rupture de type IV (rupture en zone intercritique (ICHAZ) ou dans la zone à petits grains (FGHAZ)) qui se produit généralement lors de sollicitations en fluage à basses contraintes et à hautes températures.Deux produits d'apports sont utilisés pour l'étude. Les soudures sont issues de l'assemblage par procédés TIG de deux tubes en position bout à bout. Une campagne d'essais de fluage à 550 °C sur éprouvettes travers joint en acier Grade 92 a été menée. Les expertises réalisées sur les éprouvettes de fluage indiquent que la rupture se produit en ICHAZ y compris pour les essais de fluage les plus courts (moins de 1000h).La modélisation du comportement en fluage du joint soudé complet a nécessité au préalable d'obtenir un modèle de comportement de chaque zone, en particulier de l'ICHAZ et de la zone fondue.Des essais de fluage sur des éprouvettes entaillées prélevées dans le joint ont permis d'accéder au comportement en fluage de ces deux zones. Une méthode complémentaire a été utilisée afin d'obtenir le comportement en fluage de l'ICHAZ. Cette méthode consiste à réaliser des essais de fluage sur des éprouvettes en microstructure de synthèse de la zone intercritique.Une caractérisation microstructurale fine de différentes zones de la soudure a été entreprise. Afin de comprendre les raisons de la faible résistance mécanique en fluage de l'ICHAZ, les microstructures de l'ICHAZ et du métal de base ont comparées à différentes échelles (MEB, EBSD, MET). Cette comparaison a également permis de valider la microstructure de synthèse. La caractérisation microstructurale des deux zones ne révèle pas de différences significatives ni sur la matrice de martensite revenu, ni en termes de précipitation. L'origine de sa moindre résistance à l'écoulement viscoplastique n'est donc pas résolue.Un effet de structure lié aux différences de propriétés mécaniques des zones de la soudure, est quantitativement étudié par modélisation des essais de fluage sur joint complet. / In the framework of the development of Generation IV nuclear power plants, ASME Grade 92 ferritic-martensitic steel is a candidate material for components subjected to long-term creep at high temperature. The aim of this study is to characterize the microstructure of Grade 92 butt welded joints and to model their creep behavior at 550 °C. Two filler rods were used for this study.The microstructure of the different weld regions was quantitatively characterized. In order to understand the weaker mechanical properties of the ICHAZ compared to the other regions of the welded joint, the microstructures of the base metal and the ICHAZ were compared at different scales (SEM, EBSD, TEM on thin foils and extractive replicas). No significant difference regarding microtexture, sub-structure and precipitation state was highlighted between both microstructures. The origin of the weaker resistance of the ICHAZ to viscoplastic flow is still not fully understood. A softer zone was found in the base metal close to the ICHAZ, yet with finer subgrains than the base metal,. It was supposed to be a thermomechanically-affected zone (TMAZ).At high temperatures and low stress levels, Grade 92 welded joints may be sensitive to type IV cracking, which occurs in the intercritical heat affected zone (ICHAZ). Creep tests conducted at 550 °C on cross-weld specimens revealed that fracture takes place in the ICHAZ, even for short-term creep tests (i.e., lifetime lower than 1000h).In order to model the creep behavior of the welded joint, viscoplastic constitutive equations for the different regions of the weld assembly were required. The viscoplastic behavior of the base metal, weld metal and of the ICHAZ were modeled using a phenomenological approach. The viscoplastic flow behavior of the weld metal and of the ICHAZ was experimentally determined (i) from tensile tests with displacement field measurements and (ii) from creep tests on tensile bars notched in the region of interest. An alternative method was also used to determine the creep behavior of the ICHAZ. It consists in reproducing the microstructure of this region by a thermal treatment and in carrying out creep tests on notched specimens cut from the heat-treated blanks. The parameters of constitutive equations (power-law flow rule together with a von Mises equivalent stress formulation and isotropic hardening according to a Voce-type evolutionary equation) were then fitted separately for the different zones of the welded joint.Constraint effects related to differences in mechanical properties between the different regions were quantitatively studied trough modeling of creep tests on the cross-weld specimens. For the stress levels experimentally considered, the contrast in strength between the different regions induces an increase in stress triaxiality in the softer zone (i.e. the ICHAZ) together with strain localization.Keywords: Creep, welded joint, Grade 92 steel.