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.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte de la sûreté nucléaire, et plus précisément, de l’intégrité des circuits secondaires des Réacteurs à eau pressurisée (REP). L’étude porte donc sur le comportement à rupture de structures minces soudées dans le domaine haut de la transition fragile/ductile. Elle a pour objectif de développer le modèle en contrainte seuil initialement développé par Chapuliot, qui permet de prédire la non-rupture par clivage de cette structure soudée. Le modèle est identifié pour la soudure de l’acier au C-Mn de construction nucléaire, en s’intéressant plus particulièrement à la limite supérieure du domaine de transition.Une contrainte seuil, en-dessous de laquelle le clivage ne peut avoir lieu, est identifiée à partir d’essais de traction à basses températures sur éprouvettes axisymétriques entaillées prélevées dans le joint soudé. Cette contrainte seuil permet de définir le volume seuil, ou volume dans lequel les contraintes principales maximales dépassent la contrainte seuil au cours de l’essai.L’analyse au MEB des faciès des éprouvettes rompues montre que la zone fondue brute de solidification dans la ZAT est la zone la plus susceptible de cliver. La relation entre la probabilité de rupture fragile et le volume seuil dans cette zone est établie via une fonction de sensibilité, grâce à des essais sur éprouvettes CT et à leur simulation multi-matériaux. Le modèle ainsi identifié est testé pour prévoir la non rupture par clivage d’éprouvettes SENT prélevées dans le joint soudé et sollicitées en traction. Les résultats obtenus sont encourageants relativement à la transférabilité du modèle à la structure réelle / This work concerns the nuclear safety, specifically the secondary circuit integrity of pressurized water reactors (PWR). Therefore, the present study focuses on the fracture behaviour of welded thin structures in brittle/ductile transition. It aims at developing the threshold stress model initially proposed by Chapuliot, to predict the non-brittle-fracture of this welded structure. The model is identified for the welded joint in C-Mn steel for nuclear construction, specifically in the upper part of the transition.A threshold stress, below which the cleavage cannot take place, is identified using tensile tests at low temperature on axis-symmetrical notched specimens taken in welded joint. This threshold stress is used to define the threshold volume where the maximum principal stress exceeds the threshold stress during the test.The analysis by SEM of specimen fracture surfaces shows that the gross solidification molten zone in the weld is the most likely to cleave. The relation between the brittle fracture probability and the threshold volume in the gross solidification molten zone is established via a sensitivity function, using multi-materials simulations. The model thus identified is tested for the prediction of non-brittle-fracture of SENT specimens taken in the welded joint and tested in tension. The results obtained are encouraging with regards to the transferability of the model to the actual structure

Afin d'assurer le contrôle de son parc de production d'électricité, EDF doit maîtriser le vieillissement de ses installations pour en garantir le bon fonctionnement dans la durée. Dans ce but, il est nécessaire de disposer d’outils performants pour le modéliser et simuler la propagation des défauts dans les structures.Dans ces travaux de thèse, on s’intéresse à la propagation de fissures avec la méthode X-FEM et notamment à l’étape de localisation de la fissure par une technique de courbes de niveau. Nous avons proposé une approche fondée sur une méthode de propagation d’information de distance dite fast marching method pour rendre cette étape plus robuste. Elle est applicable à tous types de mailles,linéaires ou quadratiques.De plus, le calcul du taux de restitution d’énergie et des facteurs d’intensité de contrainte en pointe de fissure doit être suffisamment précis pour permettre de calculer la direction et l’avancée de la fissure. Dans ce but, nous avons proposé d’étudier une méthode d’intégrale de domaine pour laquelle on soulève plusieurs difficultés liées à la représentation de la fissure dans un espace tridimensionnel. Plusieurs améliorations sont proposées pour rendre les calculs plus précis et plus robustes.Dans le cas des fissures à front courbe, nous avons identifié les limites de l'utilisation des champs asymptotiques obtenus en pointe de fissure sous l'hypothèse des déformations planes comme champs auxiliaires d’une méthode d’intégrale d’interaction et nous avons proposé de nouveaux champs de déplacements auxiliaires qui prennent en compte la courbure du front de fissure. Toutes ces approches sont développées et validées dans le logiciel code_aster. / In order to ensure the control of its nuclear power plants, EDF must guarantee that they function effectively over the long term. For this purpose, it is necessary to have efficient tools tomodel and simulate crack propagation in structures. In this PhD work, we are interested in the propagation of cracks with the X-FEM method which allows using the same mesh as for a structure without default. We target especially the reconstruction of thelevel sets that characterize the position of the crack after propagation. We have proposed a fast marching method approach based on the propagation of distance information from the crack surface to the whole structure to make this step more robust in the X-FEM propagation process. It is applicable to all types of meshes, linear or quadratic. The calculation of information characteristic of thecrack status such as the energy release rate and the stress intensity factors must be accurate enough to obtain the direction and advance of the crack front ateach propagation step. For this purpose, we proposed to study a domain integral method, for which several difficulties related to the representation of the crackin a three-dimensional space are identified. Several improvements are proposed to make the calculations more accurate and more robust. In the case of curved cracks front, we have identified the limitations of using asymptotic fields obtained under the plane deformation hypothesis as auxiliary fields of an interaction integral method and we have proposed new auxiliary displacement fields that take into account the curvature of the crack front. All these methods are developed and validated with EDF software code_aster.

Les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont envisagés comme matériau de gainage du combustible pour les futurs réacteurs nucléaires au sodium de Génération IV. Ces matériaux présentent une excellente résistance au fluage à haute température et au gonflement sous irradiation, mais des interrogations subsistent quant à leur propriété de résilience. L'objectif de ce travail de thèse est alors de comprendre l'effet de différents paramètres (composition chimique, texture, vieillissement thermique…) sur le comportement à l'impact des aciers ODS et sur l'apparition de la rupture de type fragile. L'objectif à terme est d'appréhender l'apparition de ce type de rupture afin d'assurer l'intégrité des composants en acier ODS en conditions normales ou incidentelles.Dans un premier temps, cette étude a permis d'évaluer la stabilité de deux nuances d'acier ODS contenant 14%Cr et 18%Cr dans des conditions de vieillissement thermique. La nuance à 18%Cr a été écartée à cause de la formation d'une phase intermétallique fragilisante de type sigma à 600°C. Par contre, la nuance à 14%Cr est plus prometteuse puisque son comportement est resté stable entre 400°C et 600°C pour une durée de vieillissement maximale de 10000 heures, et ce même si des précipités de phases alpha', de Laves Fe2W et des carbures de chrome ont été observés. D'autre part, la texture morphologique, caractérisée par des grains allongés selon la direction de filage, est propice à la propagation de fissures intergranulaires selon cette direction. La texture cristallographique régit, quant-à elle, les micromécanismes de clivage. En effet, les entités microstructurales qui contrôlent la propagation du clivage sont des groupes de grains faiblement désorientés les uns des autres d'un point de vue cristallographique, et qui sont associés à la notion de grains effectifs. Enfin, le comportement en traction et en flexion d'une nuance d'acier ODS à 14%Cr a été modélisé, et un critère de rupture fragile basé sur une valeur de contrainte critique a été proposé. Ce modèle nous a alors permis de simuler des essais sur différentes géométries et de prédire l'apparition de la rupture fragile sur cette nuance. / The Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels have been identified as potential materials for fuel cladding in Generation IV nuclear reactors. They are characterized by a very good resistance to swelling under irradiation and to high temperature creep, but questions still remain about the impact toughness of these materials. The first aim of this work is to understand the effects of different parameters (chemical composition, texture, thermal ageing...) on the impact behaviour of ODS steels. The final objective is to predict the occurrence of the brittle failure on the ODS steel components in normal or incidental conditions.Firstly, this study assesses the stability of two ODS steel grades containing either 14%C or 18%Cr during thermal ageing. The 18%Cr steel grade has been discarded due to the growing of the brittle intermetallic sigma phase at 600°C. However, the 14%Cr steel grade showed a promising behaviour given the stability of its mechanical properties after thermal ageing between 400°C and 600°C, for a maximum duration of 10000 hours, and regardless of the presence of chromium carbides, alpha' and Laves phases. Then, the morphological texture characterized by elongated grains along the extrusion direction enhances the propagation of intergranular cracks along this direction. Meanwhile, the crystallographic texture controls the cleavage micromechanisms. Indeed, the microstructural entities that control the propagation of the cleavage crack are groups of grains which are characterized by low crystallographic misorientations and referred to as effective grains. At last, the tensile and bending behaviour of a 14%Cr ODS steel grade has been modelled. A brittle failure criterion based on a critical stress value had also been suggested. This model allowed us to simulate mechanical tests on different geometries and to predict the occurrence of the brittle failure.

La premiere partie de ce memoire concerne la propagation de fissures en mode mixte I+II+III. Nous avons premierement complete le developpementdes F.I.C. en puissances de la longueur de l'extension etabli par Mouchrif, par la determination d'un operateur universel (independant du probleme) decrivant l'effet d'une longueur d'extension variable le long du front. Son calcul est effectue en utilisant une technique de developpements asymptotiques raccordes, puis le formalisme de Muskhelishvili couple a une technique de transformation conforme. Deuxiement, apres avoir presente les trajets de ssuration observes en presence de mode III, nous avons de ni des criteres permettant de predire la valeur de l'angle de branchement le long du frontdans le cas particulier du deversement ou tout le front tourne autour de la direction de propagation pour se rapprocher du mode I pur. Les valeurs obtenues concordent avec des resultats d'experiences en mode I+III et en modeI+II+III, qui nous sont partiellement dues.<br />La deuxieme partie est consacree au calcul des fonctions de poids tri-dimensionnelles d'une fissure d'interface semi-infinie. La methode de resolution est d'un type nouveau et ne necessite pas la resolution complete du probleme d'elasticite. La premiere etape consiste a determiner l'accroissement des F.I.C. dû a une perturbation coplanaire infinitesimale du front.<br />La deuxieme etape consiste a appliquer ce resultat aux chargements particuliers definissant les fonctions de poids et a une perturbation particuliereconservant la forme de la fissure. Nous obtenons ainsi des equations integro differentielles, qui deviennent apres transformation de Fourier le long du front, des equations differentielles ordinaires. La solution est obtenue sous forme analytique au premier ordre en $\epsilon$, constante ((bielastique)) des materiaux. En guise d'application, nous examinons le probleme de la stabilite de la forme rectiligne du front vis-a-vis de petites perturbations coplanaires.

L'acier martensitique à 9% de chrome Z10CDNbV9-1 est pressenti pour constituer le matériau de structure des futurs réacteurs hybrides ADS où il sera notamment soumis au contact du plomb ou du plomb-bismuth liquides. Cette étude présente une évaluation de la plage de risques encourus par l'acier vis à vis du phénomène de fragilisation par les métaux liquides. Si, après son élaboration, l'acier ne semble présenter aucun signe de fragilisation par les métaux liquides, une combinaison particulière d'effets microstructuraux et de conditions d'essais montrent que l'acier habituellement ductile peut subir une fragilisation brutale et se comporter comme un matériau fragile en présence de métal liquide. Le mécanisme impliqué dans cette fragilisation se base sur le phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel. L'interprétation de la fragilisation mise ici en évidence s'appuie sur la théorie de la rupture fragile dans les matériaux ductiles et sur les notions définies couramment en mécanique de la rupture.

Le phénomène de la propagation d'une fissure dans un matériau hétérogène est un sujet de recherche central en mécanique de la rupture. Durant ces deux dernieres décennies, plusieurs travaux, aussi bien expérimentaux que théoriques, ont été menés afin de déterminer les conditions de stabilités et les propriétés de rugosité du front de fissure et des surfaces ainsi crées. L'une des difficultés centrales dans ce type de problème est d'obtenir les outils théoriques pour la description du comportement du champ des contraintes au voisinage du front de fissure. Ce comportement est caractérisé par les quantités appelées facteurs d'intensité des contraintes qui sont la base préalable à toute caractérisation théorique de la dynamique de propagation de fissure. Dans ce contexte, nous avons effectué un travail à la fois théorique et expérimental, afin de déterminer théoriquement ces quantités pour différents modes de déformations et différentes géométries de fissures.

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains.

La démarche actuelle des industries aérospatiales est de diminuer le coût de lancement des engins spatiaux par une réduction de la masse des composants. Dans l’optique de cette démarche, de nouveaux matériaux sont élaborés et permettent de satisfaire aux exigences de densification, de dissipation thermique et de réduction de masse des équipements électroniques embarqués dans les satellites. Cette thèse est une contribution à l’étude de deux de ces matériaux, l’AlSi CE9F et une nuance d’alumine cofrittée à température, destinés à réaliser des boitiers hybrides de protections de composants électroniques, initialement conçus en Kovar. Les objectifs sont d’affiner les connaissances sur propriétés mécaniques des deux matériaux et de mettre en place des règles de conceptions propres à leurs comportements mécaniques. En effet, l’AlSi CE9F et l’alumine ont un comportement à rupture fragile. La détermination de leurs résistances à la rupture est alors réalisée dans le cadre de la théorie de Weibull. Des séries d’essais de flexion quatre points et trois points sont effectués. Elles permettent d’identifier les paramètres de Weibull des deux matériaux à température ambiante et de mettre en évidence les effets de volume. L’étude expérimentale est poursuivie sur l’AlSi CE9F afin de déterminer l’influence de la température sur ses propriétés mécaniques à travers deux approches. La première s’intéresse à une variation monotone de la température et la seconde à des cycles thermiques entre -50 et 125°C. Si la première étude ne montre qu’une faible évolution du module d’élasticité, la seconde démontre que les cycles thermiques contribuent à l’amélioration de la résistance à la rupture de l’AlSi CE9F. Cette augmentation de la contrainte à la rupture se traduit également par une évolution de sa microstructure. Dans un second temps, un modèle de Weibull est numériquement mis en place à partir des paramètres identifiés et du critère de la contrainte équivalente de Freudenthal. Ce critère est analysé et validé à travers l’étude de trois éprouvettes en AlSi CE9F à chargements complexes. Le modèle validé est enfin utilisé pour décrire le comportement mécanique de deux composants dans différentes configurations de sollicitation, réalisés respectivement en alumine HTCC et en AlSi CE9F. Une méthodologie de dimensionnement est alors mise en place et permettra de disposer de nouvelles règles de conception équivalentes à celles existant sur les matériaux classiques. / The aerospace companies currently want to decrease the price of spacecraft launching with a reduction of the mass components. New materials were recently developed to satisfy the rising requirements of thermal dissipation, densification and weight decrease of on-board electronic equipment intended to satellite. This thesis is a contribution to the characterization of two of these innovative materials: AlSi CE9F and a grade of alumina HTCC. These materials are designed to manufacture hybrid boxes for computing chips, originally made in Kovar. The objectives are to improve the mechanical properties knowledge of these materials and to develop a know-how design specific to their mechanical behaviours. Indeed, AlSi CE9F and alumina have brittle fracture behaviour. The strength analysis is also realized in connection with the Weibull theory. The Weibull’s parameters are identified from the four points and three points bending strength and the volume effects are highlighted. The experimental study is completed by the analysis of the temperature influence on the mechanical properties of AlSi CE9F through two approaches. The first one considers a monotonic variation of temperature and shows a minor evolution of the elastic modulus. The second one proves that thermal cycles between -50 and 125°C improve the strength value of AlSi CE9F. This increase is also reflected by an evolution of its microstructure. Secondly, a Weibull’s model is numerically established based on identified parameters and the Freudenthal’s equivalent stress criterion. The Freudenthal’s criterion is analysed and confirmed through the study of complex loading samples made in AlSi CE9F. The confirmed model is finally used to describe the mechanical behaviours of two components respectively made in AlSi CE9F and alumina HTCC, thoroughly in several loading configurations. A design methodology is developed and will bring new rules in modelling and design, closed to those existing in conventional materials.

Dans le contexte industriel actuel, l'utilisation du modèle de forces cohésives en milieu solide revêt d'une importance capitale dans des nombreux domaines d'applications dont en particulier le domaine du transport, du nucléaire ou du génie-civil. En conséquence, la présente étude propose une modélisation numérique de la rupture fragile d'une plaque en acier en présence des forces cohésives. Le logiciel Cast3M est utilisé pour la mise en œuvre numérique. Le modèle de type Dugdale est utilisé et permet de calculer dans le cas d'une plaque élasto-plastique la distribution de contraintes à la pointe de fissure. Le modèle suppose, qu'à la pointe de fissure sur une longueur cohésive Lzc, les contraintes cohésives σc (x1), suivant l'axe Ox1 restent constante avec une amplitude égale à σc. Le domaine de rupture élastique et le domaine de ruine plastique a été prisent en compte. L'approche peut être considérée comme une extension de la mécanique linéaire de ruptures dans laquelle est introduite la notion de contrainte critique, ce qui permet en particulier de mieux rendre compte des effets d'échelle. A partir du principe de superposition des contraintes en mode I de rupture, les calcules dans la configuration déformée de la plaque fissurée a été étendue à d'autres géométries plus simples : une plaque avec fissure sans force cohésive, mais avec charge extérieure appliquée, une plaque avec une fissure purement cohésive et une plaque avec une fissure partiellement cohésive et sans charge extérieure. Ces différentes formes géométriques ont été prises en compte dans la modélisation numérique ainsi que la création de la fissure et le démarrage de la propagation. Le paramètre énergétique calculé selon la formule de l'intégrale J de Rice (1968) est également prise en compte et est comparé avec les résultats analytiques de Ferdjani et al. (2007). / In the context of industrial applications, the linear fracture mechanics theory is not sufficient to account for various aspects of the crack propagation and it becomes necessary to use more sophisticated models like cohesive force models. The goal of the present thesis is to develop such a model in order to account for all the process of the crack propagation, from the nucleation in a sound structure to the final failure of that structure. Specifically, we use Dugdale model which contains both the concept of critical stress and of internal length. The presence of a critical stress allows us to account for the nuckleation of a crack even if the body is initially sound, in contrast with Griffith theory which require the existence of preexisting cracks. The presence of an internal length allows us to account for pertinent scale effects, once again in contrast with Griffith theory in which the predicted scale effects are only correct for large specimen, not for small specimen. This approach is used to describe the full process of cracking in several cases, either by purely analytical methods when the geometry is simple enough, or by the finite element method with the code Cast3M in the case of complex geometry.