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Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5

Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 Lakhdar TALEB Philippe PILVIN Ioannis POLITOPOULOS Frédéric ROGER Jean ANGLES Corinne ROUBY Ziad MOUMNI Professeur (INSA Rouan) Professeur (UBS) HDR (CEA) Professeur (Mines Douai) Ingénieur Chercheur (EDF) Enseignante Chercheuse (ENSTA ParisTech) Professeur (ENSTA ParisTech) Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Co-encadrant Co-encadrante Directeur de thèse QianqiangCHEN Ecole Doctorale de l’Ecole Polytechnique Jury Laboratoire d’accueil: Unité de Mécanique de l’ENSTA ParisTech 06/01/2015 à Lamsid Thèse de doctorat Plan I. Problématique 1. Contexte industriel 2. Trois facteurs de la fissuration à froid 3. Stratégie de recherche II. Modélisation de la fragilisation par l’hydrogène 1. Essais de traction sous hydrogène 2. Modèle d’endommagement ductile-fragile 3. Critère de fissuration à froid III. Modélisation de la fissuration à froid 1. Essais expérimentaux 2. Modèle thermo-métallo-mécanique-diffusion 3. Validation du modèle 4. Résultats de la simulation 5. Validation du critère de fissuration à froid IV. Conclusions et perspectives 2 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Plan I. Problématique 1. Contexte industriel 2. Trois facteurs de la fissuration à froid 3. Stratégie de rechercheII.Modélisation de la fragilisation par l’hydrogène1.Essais de traction sous hydrogène2.Modèle d’endommagement ductile-fragile3.Critère de fissuration à froidIII.Modélisation de la fissuration à froid1.Essais expérimentaux2.Modèle thermo-métallo-mécanique-diffusion3.Validation du modèle4.Résultats de la simulation5.Validation du critère de fissuration à froidIV.Conclusions et perspectives 3 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN I.1 Contexte industriel La fissuration à froid dans une opération de soudage peut se produire lors de : 1. La mise en place des pénétrations du fond de cuve ; 2. Les réparations des défauts dans la cuve. 4 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Fig.1 : Fissuration à froid dans une PFC Fig.2 : Soudage TIG Fig.3 : Fissure à froid dans la ZAT 5 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Fig.4 : Zone Affectée Thermiquement [Angles 2011] Fig.5 : Localisation des fissures à froid [Granjon 2007] Caractéristiques de la fissuration à froid: 1. Elle se trouve dans la Zone Affectée Thermiquement (ZAT) ou le Métal Fondu (MF) ; 2. Elle peut être longitudinale ou transversale ; 3. Elle arrive dans un délai de quelques secondes jusqu’à quelques jours ; 4. Elle se produit à température < 200°C Dans notre cas : Métal d’apport : Acier Inoxydable Métal de base: Acier faiblement allié 16MND5 Fissure à froid dans la ZAT ! ! ! I.2 Trois facteurs de la fissuration à froid La fissuration à froid (FAF) se produit dû à l’effet combiné de : 1. Une microstructure dure et fragile: la martensite ; 2. Une teneur en hydrogène suffisamment élevée ; 3. Une contrainte (résiduelle) critique. 6 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Hydrogène Martensite Contrainte Solution solide d'insertion sursaturée en carbone dans la ferrite ; Vitesse de refroidissement rapide ; Dure et fragile Dissolution de l’humidité ou l’hydrogène dans le bain de fusion ; Diffusion de l’atome d’hydrogène dans la ZAT ; Fragilise la martensite. Contraintes résiduelles dues à la dilatation locale, au bridage, à la transformation métallurgique Provoque la fissuration. FAF Microstructure : Martensite - Martensite : dure et fragile. - Deux facteurs pour déterminer le taux de martensite dans la soudure : 1. Trempabilité : la facilité à obtenir de la martensite, dépend du carbone équivalent; 2. Vitesse de refroidissement. 7 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Fig.6 : Courbe de traction : martensite vs brut Fig.7 : Diagramme transformation en refroidissement continu (TRC) Hydrogène : Introduction Introduction par dissolution de H2O, H2, H2S etc. dans le bain de fusion Loi de Sievert : avec 8 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN H H 2 2  ) 55 . 5 / 4388 exp( / 2     T P C K H Fig.8 : Introduction de l’hydrogène dans le bain de fusion *Viyanit 2005] Hydrogène : Diffusion Le flux est proportionnel au gradient d’activité C/S : C, S : la concentration d’hydrogène et sa solubilité L’effet de contrainte, de déformation plastique et de température : L’effet de piégeage : : le taux d’occupation La conservation des particules : N : le nombre du piège 9 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN          S C DS J             RT V H P S p S h H H   exp ) 1 ( 2 0         ) 1 ( kC t J t N C      ) (  Hydrogène : Fragilisation par l’hydrogène Trois mécanismes de fragilisation par l’hydrogène : 1. Décohésion induite par l’hydrogène [Troiano 1960] 2. Interaction entre l'hydrogène et les dislocations [Beachem 1972] 3. Emission des dislocations induite par l’hydrogène [Lynch 1977] 10 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Fig.9 : Schéma de fragilisation par l’hydrogène Contrainte : Essais de fissuration à froid Essai sur maquettes auto-bridées : • difficile à mettre en œuvre ; • difficile à évaluer les trois facteurs ; • représentatif de l’application industrielle. Essai sur maquettes soumises à une charge extérieure : • bonne reproductibilité ; • facile à évaluer les trois facteurs ; • critère global ; • non-représentatif. 11 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Fig.10 : Schéma de l’essai Tekken [ISO17642] Fig.11 Schéma de l’essai sur implant *ISO17642+ 12 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN I.3 Stratégie de recherche Littérature : 1. Critère global identifié à partir des essais sur implant ; 2. Méthode de prévention : préchauffage, postchauffage. Le pré ou post-chauffage est difficile à mettre en œuvre dans la cuve. Objectif de la thèse: 1. Compréhension du mécanisme physique de la fissuration à froid; 2. Proposer un critère d’amorçage de la fissuration à froid. PlanI.Problématique1.Contexte industriel2.Trois facteurs de la fissuration à froid3.Stratégie de recherche II. Modélisation de la fragilisation par l’hydrogène 1. Essais de traction sous hydrogène 2. Modèle d’endommagement ductile-fragile 3. Critère de fissuration à froidIII.Modélisation de la fissuration à froid1.Essais expérimentaux2.Modèle thermo-métallo-mécanique-diffusion3.Validation du modèle4.Résultats de la simulation5.Validation du critère de fissuration à froidIV.Conclusions et perspectives 13 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN II.1 Essais de traction sous hydrogène Essais expérimentaux: 1. Formation de la martensite : T20, T100 et T140 ; 2. Introduction de l’hydrogène dans l’éprouvette : thiocyanate d’ammonium NH4SCN ; 3. Essais de traction interrompu. 14 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN 920°C Temps T (°C) 20 min Trempe (huile) Résultats : Martensite 15 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Ferrite Bainite Martensite Brut T20 T100 T140 Microstructure T20 T100 T140 Martensite (%) >80 65 – 70 47 - 50 Résultats : Essais de traction 16 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Contrainte (MPa) εcorrigé T20 - Réf T20 - 0,4 ppm T20 - 0,5 ppm T20 - 1,05 ppm (1) T20 - 1,05 ppm (2) T20 - 1,9 ppm Synthèse : 1. L’effet de l’hydrogène sur la contrainte maximale est faible; 2. L’hydrogène diminue la ductilité Résultats : fractographie 17 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN H = 0 ppm H = 0,7 ppm H = 1,05 ppm H = 1,85 ppm Synthèse : Teneur en hydrogène , endommagement fragile , endommagement ductile II.2 Modèle d’endommagement ductile-fragile Les variables : • : la déformation totale ; • e : la déformation élastique ; • p : la déformation plastique ; • p : la déformation plastique cumulée ; • d : l’endommagement ductile ; • f : l’endommagement fragile. 18 Thèse de doctorat: Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5 par Q. CHEN Elasticité Plasticité + Ecrouissage + Endommagement ductile Fonction de charge : Lois d’évolution : Endommagement fragile                  uploads/Industriel/ soutenance-lamsid-chen.pdf