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1 Rapporteurs avant soutenance : Pr. Philippe Bocher École de technologie supér

1 Rapporteurs avant soutenance : Pr. Philippe Bocher École de technologie supérieure de Montréal Pr. Georges Cailletaud Mines ParisTech, UMR CNRS 7633 Composition du Jury : Pr. Sabine Denis Université de Lorraine, IJL UMR CNRS 7198 Présidente Dr. Danièle Ayrault CEA Saclay, LTA Pr. Philippe Bocher École de technologie supérieure de Montréal Pr. Pascal Paillard Université de Nantes, IMN UMR CNRS 6502 Examinateurs Pr. Philippe Pilvin Université Bretagne Sud, IRDL UMR CNRS 6027 Directeur de thèse Dr. Florent Bridier Naval Group Research Dr. Denis Carron Université Bretagne Sud, IRDL UMR CNRS 6027 Co-directeurs de thèse Dr. Serge Prigent IRT Jules Verne Invité Thèse de doctorat de L’UNIVERSITÉ BRETAGNE SUD Comue Université Bretagne Loire ÉCOLE DOCTORALE N° 602 Sciences pour l'Ingénieur Spécialité : « Génie Mécanique » Par Constant RAMARD Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse : application à un acier de construction navale Thèse présentée à Lorient, le 24 août 2018 Unité de recherche : IRDL UMR CNRS 6027 Thèse N° : 498 Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse Constant Ramard 2018 Remerciements A travers ces quelques lignes je souhaite remercier les nombreuses personnes qui ont participées de près ou de loin à l’aboutissement de ce travail. Tout d’abord je souhaite remercier mon directeur de thèse Philippe Pilvin ainsi que mes co-encadrants Denis Carron et Florent Bridier pour leur patience, leur disponibilité et surtout leurs judicieux conseils tout au long de cette thèse. J’adresse mes plus sincères remerciements à Sabine Denis qui a acceptée de présider le jury de thèse ainsi qu’à Georges Cailletaud et Philippe Bocher qui ont été des rapporteurs avisés et pour l’intérêt qu’ils ont manifesté à l’égard de mes travaux. Je remercie également l’ensemble des membres du jury pour la pertinence de leurs propos et le temps qu’ils ont concédé à l’examen de mes travaux. Je tiens à remercier Pascal Paillard, responsable de la chaire académique MAPEPAS portée par l’IRT Jules Verne dont cette thèse fait partie ainsi que les membres du comité de suivi et plus globalement Naval Group partenaire industriel du projet. Je remercie les membres de l’Université Bretagne Sud et de l’équipe Assemblages Multi-matériaux de l’IRDL qui m’ont apporté leur aide et partagé leurs connaissances, en particulier Philippe Le Masson. L’évaluation expérimentale des contraintes résiduelles n’aurait pas été possible sans l’implication de Bruno Levieil de l’ENSTA Bretagne et François Portanguen de l’UBS que je remercie pour leur participation dans la réalisation de ces mesures. Bien entendu, je n’oublie pas les doctorants et ex-doctorants du « bureau des thésards » que je remercie pour tous les bons moments professionnels et extra-professionnels, je ne citerai pas leur nom par peur de froisser leur modestie. Je terminerai par exprimer ma reconnaissance à mes parents et ma famille pour leurs encouragements. Merci à mon épouse, Lorraine, pour son soutien quotidien sans faille. Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse Constant Ramard 2018 Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse Constant Ramard 2018 i Table des matières Introduction ..................................................................................................................................................... 1 Première partie Maquettes soudage multipasse ............................................................................................ 5 Chapitre 1 Maquettes soudées, objectifs et réalisations .............................................................................. 9 1.1 Généralités sur le soudage multipasse .................................................................................................. 9 1.1.1 Définition ........................................................................................................................................... 9 1.1.2 Mode opératoire de soudage multipasse ......................................................................................... 9 1.1.3 Procédés de soudage à l’arc ............................................................................................................ 10 1.1.4 Phénomènes thermiques lors du soudage ...................................................................................... 13 1.1.5 Cas du soudage multipasse ............................................................................................................. 14 1.2 Maquettes soudées .............................................................................................................................. 15 1.2.1 Configuration étudiée ..................................................................................................................... 15 1.2.2 Maquette instrumentée .................................................................................................................. 17 1.2.3 Maquette « passes décalées » ........................................................................................................ 19 1.3 Macrographies et cartographies de dureté ......................................................................................... 21 1.3.1 Protocole expérimental ................................................................................................................... 21 1.3.2 Macrographies ................................................................................................................................ 21 1.3.3 Cartographies de dureté ................................................................................................................. 23 1.4 Bilan sur les maquettes soudées .......................................................................................................... 26 Chapitre 2 Evaluation des contraintes résiduelles ...................................................................................... 27 2.1 Origine des contraintes résiduelles de soudage................................................................................... 27 2.2 Méthodes d’évaluation des contraintes résiduelles............................................................................. 30 2.3 Évaluation des contraintes résiduelles par la méthode du contour ..................................................... 32 2.3.1 Principe de la méthode ................................................................................................................... 32 2.3.2 Découpe .......................................................................................................................................... 33 2.3.3 Mesure des surfaces de découpe .................................................................................................... 35 2.3.4 Traitement des mesures.................................................................................................................. 36 2.3.5 Calcul EF des contraintes résiduelles .............................................................................................. 38 2.4 Méthode du trou profond .................................................................................................................... 41 2.4.1 Principe de la méthode ................................................................................................................... 41 2.5 Comparaison des résultats des deux méthodes ................................................................................... 44 2.6 Bilan sur l’analyse des contraintes résiduelles ..................................................................................... 45 Deuxième partie Description des essais, analyse et choix des modèles élémentaires .................................. 47 Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse Constant Ramard 2018 ii Chapitre 3 Caractérisation et modélisation du comportement thermo-métallurgique ............................... 51 3.1 Rappels sur les transformations métallurgiques des aciers ................................................................. 51 3.1.1 Austénitisation au chauffage ........................................................................................................... 51 3.1.2 Transformations lors du refroidissement ........................................................................................ 53 3.1.3 Diagrammes TRC ............................................................................................................................. 54 3.2 Transformations métallurgiques en ZAT .............................................................................................. 56 3.2.1 Zones de transformation dans la ZAT.............................................................................................. 56 3.2.2 Cas du soudage multipasse ............................................................................................................. 57 3.3 Modélisation des transformations métallurgiques .............................................................................. 59 3.3.1 Transformation martensitique - Cinétique de Koïstinen-Marbürger .............................................. 59 3.3.2 Transformations avec diffusion ....................................................................................................... 60 3.3.3 Bilan sur les différents modèles ...................................................................................................... 65 3.4 Modèle de croissance des grains austénitiques ................................................................................... 66 3.4.1 Spécificité de la croissance des grains austénitique en soudage .................................................... 66 3.4.2 Modèles analytiques de croissance de grains austénitiques en ZAT .............................................. 66 3.4.3 Autres approches numériques ........................................................................................................ 68 3.5 Prévision de la dureté .......................................................................................................................... 68 3.6 L’acier 80HLES ...................................................................................................................................... 70 3.6.1 Présentation .................................................................................................................................... 70 3.6.2 Propriétés thermophysiques ........................................................................................................... 71 3.7 Diagrammes TRC pour la simulation du soudage ................................................................................ 72 3.7.1 Taille de grains austénitiques de deux zones représentatives de la ZAT ........................................ 72 3.7.2 Essais de dilatométrie libre ............................................................................................................. 74 3.7.3 Géométrie des éprouvettes ............................................................................................................ 76 3.7.4 Choix des conditions d’austénitisation des deux diagrammes TRC ................................................ 77 3.7.5 Construction des deux diagrammes TRC ......................................................................................... 79 3.8 Modélisation de la taille de grains de l’acier 80HLES .......................................................................... 81 3.9 Modélisation des transformations métallurgiques du 80HLES ............................................................ 82 3.9.1 Transformations au chauffage ........................................................................................................ 83 3.9.2 Transformations au refroidissement ............................................................................................... 85 3.10 Prévision de la dureté .......................................................................................................................... 88 3.11 Bilan sur la caractérisation et la modélisation métallurgique ............................................................. 90 Chapitre 4 Caractérisation mécanique et identification .............................................................................. 91 4.1 Généralités ........................................................................................................................................... 91 4.1.1 Dilatation thermique ....................................................................................................................... 91 4.1.2 Déformation plastique et viscoplastique ........................................................................................ 92 4.1.3 Plasticité de transformation ............................................................................................................ 92 4.2 Programme expérimental .................................................................................................................... 93 4.3 Comportement du métal de base ........................................................................................................ 94 4.4 Comportement de la phase austénitique ............................................................................................. 96 Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse Constant Ramard 2018 iii 4.4.1 Comportement de la phase austénitique au chauffage et au refroidissement .............................. 97 4.4.2 Condition d’austénitisation et comportement mécanique ............................................................. 99 4.5 Comportement des phases bainitique et martensitique .................................................................... 100 4.6 Identification des coefficients du modèle de comportement mécanique .......................................... 104 4.7 Résultats de l’identification ............................................................................................................... 105 4.8 Essais de dilatométrie sous contrainte .............................................................................................. 109 4.8.1 Plasticité de transformation au refroidissement .......................................................................... 110 4.8.2 Calcul des coefficients de plasticité de transformation ................................................................ 112 4.9 Bilan sur la caractérisation et la modélisation mécanique ................................................................ 113 Troisième partie Simulation numérique du soudage multipasse ................................................................ 115 Chapitre 5 Implémentation des modèles métallurgiques et mécaniques dans le code de calcul ............... 119 5.1 Présentation du logiciel de calcul par élément finis........................................................................... 119 5.2 Implémentation des modèles métallurgiques ................................................................................... 120 5.2.1 Calcul des fractions volumiques des phases métallurgiques ........................................................ 121 5.2.2 Validation de la procédure « UMATHT » sur un essai Gleeble ...................................................... 123 5.3 Présentation de la loi de comportement micromécanique ................................................................ 126 5.3.1 Approche micro-macro du comportement multiphasé ................................................................ 126 5.3.2 Généralisation 3D des lois EVP pour les phases ............................................................................ 127 5.4 Implémentation du modèle micro-mécanique ................................................................................... 129 5.4.1 Essais de type « Satoh » ................................................................................................................ 130 5.4.2 Simulation de l’essai type « Satoh » .............................................................................................. 132 Chapitre 6 Simulation thermo-métallurgique-mécanique du soudage multipasse .................................... 137 6.1 Généralités sur la modélisation thermique ........................................................................................ 137 6.2 Modélisation de la source de chaleur ................................................................................................ 139 6.2.1 Source surfacique .......................................................................................................................... 139 6.2.2 Source volumique .......................................................................................................................... 140 6.2.3 Choix et identification des paramètres de la source de chaleur ................................................... 142 6.3 Simulation thermique ........................................................................................................................ 143 6.3.1 Maillage de la géométrie ............................................................................................................... 143 6.3.2 Modélisation du contact plaque raidisseur et de l’apport de matière ......................................... 145 6.3.3 Modélisation de l’apport et des pertes d’énergie ......................................................................... 146 6.3.4 Résultats de l’analyse thermique .................................................................................................. 147 6.4 Simulation thermo-métallurgique ..................................................................................................... 153 6.4.1 Résultats métallurgiques ............................................................................................................... 154 6.5 Simulation métallurgique et mécanique ............................................................................................ 159 6.5.1 Résultats mécaniques.................................................................................................................... 159 6.5.2 Comparaison des résultats calculs-expériences sur les contraintes résiduelles ........................... 165 Conclusion générale ..................................................................................................................................... 169 Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse Constant Ramard 2018 iv Bibliographie ................................................................................................................................................ 173 Annexe A : Transposition des mesures de dureté Hv0,1 en Hv10 ................................................................... 179 Étude expérimentale et numérique du soudage multipasse Constant Ramard 2018 1 Introduction Cadre scientifique Cette étude s’inscrit dans le cadre de la chaire académique MAPEPAS (Matériaux A Propriétés Elevées Et Procédés Avancés de Soudage) de l’IRT Jules Verne. Cet Institut de Recherche Technologique est spécialisé dans les technologies avancées de production, les procédés composites, métalliques et la modélisation et simulation des structures et procédés. La chaire MAPEPAS regroupe des partenaires académiques tels que le CNRS, les laboratoires IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) et IMN (Institut des Matériaux de Nantes) ainsi que uploads/Geographie/ 2018-these-rama-rdc.pdf