Modélisation de l'effet de l'irradiation sur la ténacité des alliages d'aluminium dans les réacteurs nucléaires expérimentaux

Résumé de la thèse en français

L'alliage d'aluminium 6061-T6 est choisi pour la fabrication de la cuve du réacteur français Jules Horowitz (JHR). Cette thèse se concentre sur la virole centrale de la cuve qui est est soumise à l'arrêté relatif Équipement Sous Pression Nucléaire. De telles cuves sont rigoureusement conçues pour répondre aux spécifications définies par l'Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN). L'irradiation provoque des modifications microstructurales qui induisent un durcissement du matériau et diminuent sa ductilité. À titre d'exemple, une étude rapporte une augmentation de 45 et 60% de la limite d'élasticité et de la résistance mécanique respectivement et une diminution de 15 à 9% de l'allongement à rupture. Bien qu'il soit évident que l'irradiation augmente la résistance du matériau et diminue sa capacité d'écrouissage, il n'est pas prouvé dans la littérature que la ténacité de l'alliage d'aluminium 6061-T6 irradié diminue. Quelques rares résultats montrent que la ténacité n'est pas affectée par l'irradiation. Cependant, ces quelques résultats ne permettent pas de tirer des conclusions. En conséquence, l'objectif scientifique principal de cette thèse est de développer un modèle basé sur la physique qui prédit la ténacité de l'alliage d'aluminium 6061-T6 irradié. Tout d'abord, l'endommagement est étudié au niveau microscopique : les mécanismes de germination, de croissance et de coalescence de cavités dans l'alliage non irradié sont caractérisés et quantifiés. Le modèle d'endommagement est ainsi calibré sur l'alliage non irradié en supposant que l'irradiation n'affecte pas les particules de taille micronique qui endommagent le matériau. Deuxièmement, les effets du durcissement et de la perte d'écrouissage sur la ténacité globale sont décorrélés afin de mettre en valeur leurs influences respectives sur la ténacité du matériau irradié. Troisièmement, un modèle phénoménologique d'écoulement plastique irradié basé sur les résultats de traction (alliage irradié) disponibles dans la littérature est développé. Enfin, le modèle d'écoulement plastique irradié et le modèle d'endommagement sont combinés afin de simuler la ténacité de l'alliage irradié. Les résultats révèlent un large débat sur la ténacité de l'alliage d'aluminium 6061-T6 irradié.

Résumé de la thèse en anglais

The 6061-T6 aluminum alloy is chosen for fabricating the vessel of the French Jules Horowitz Reactor (JHR). This thesis focuses on the middle shaft of the vessel which is designed to be a nuclear pressure vessel. Such vessels are rigorously designed to fulfill the specifications defined by the French Nuclear Safety Authority (ASN, Autorité de Sûreté Nucléaire). Neutron radiation causes microstructural changes that induce material hardening and decrease the ductility of metals. To illustrate, a study reports an increase of 45 and 60% in the yield and ultimate tensile strength respectively and a decrease from 15 to 9% in the elongation % at failure. Although it is obvious that neutron radiation increases the material's strength and decreases its strain hardening capacity, it is not evidenced in the literature that the fracture toughness of the irradiated 6061-T6 aluminum alloy drops. A very few results show that the fracture toughness is not affected by the neutron radiation. However, these few results do not allow to draw conclusions. Therefore, the main scientific objective of this PhD thesis is to develop a physics-based model that predicts the fracture toughness of the irradiated 6061-T6 aluminum alloy. Firstly, damage is investigated at the microscopic level: void nucleation, growth and coalescence mechanisms in the unirradiated alloy. The damage model is to be calibrated over the unirradiated alloy while assuming that neutron radiation do not affect the micron-sized particles which damage the material. Secondly, the effect of strengthening and strain hardening drop on the overall fracture toughness is decorrelated to understand the trends regarding the irradiated material's toughness. Thirdly, a phenomenological irradiated plastic flow model that is based on the available tensile results (irradiated alloy) in the literature is developed. Finally, the irradiated plastic flow and the calibrated damage models are combined to simulate the fracture toughness of the irradiated alloy. The results disclose a wide discussion over the fracture toughness of the irradiated 6061-T6 aluminum alloy.

 

Date de soutenance : vendredi 7 octobre 2022 à 9h00
Adresse de soutenance : 270 rue Saint-Jacques 75005 Paris – Salle Biblio
Directeur de thèse : Jacques BESSON
Codirecteur : Yazid MADI
Co-encadrant : Jérôme GARNIER

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Rupture ductile d'un milieu poreux aléatoire : Approche numérique et application aux défauts de soudure

Résumé de la thèse en français

Lors d'un assemblage par soudage, des bulles de gaz peuvent être piégées au sein du cordon de soudure. Ces défauts réduisent la résistance des pièces à la rupture ductile, mais peuvent être détectés par des moyens de contrôle non destructifs comme la tomographie X. Cependant l'utilisation directe des défauts dans une simulation mènerait à des temps de calcul prohibitifs. L'objectif de l'étude est d'analyser l'influence des pores sur la rupture ductile de pièces soudées, et de proposer une méthode permettant de prendre en compte de façon simplifiée les images de tomographies afin de prédire efficacement et précisément la résistance en rupture ductile. L'influence sur la rupture ductile est étudiée par des simulations micromécaniques sur des cellules élastoplastiques contenant une distribution aléatoire de pores, permettant de prendre en compte l'interaction entre défauts. La détection de la rupture à l'échelle de la cellule par coalescence ou localisation, l'influence de l'orientation du chargement et la dispersion pour différentes populations sont en particulier étudiées. A partir des simulations sur microstructures aléatoires, la dépendance de la déformation à localisation aux conditions de chargement peut être représentée par un métamodèle obtenu par krigeage. Une approche multifidélité est utilisée pour combiner les résultats de cellules unitaires et aléatoires. Enfin, la rupture ductile est étudiée expérimentalement par des essais observés par tomographie synchrotron, permettant de suivre l'évolution des défauts. Les résultats expérimentaux sont comparés à la simulation, à la fois au niveau du comportement macroscopique, et à celui de la déformation locale des défauts.

Résumé de la thèse en anglais

During welding, gas bubbles can be trapped within the weld joint. These defects reduce the resistance to ductile fracture, but can be detected by non-destructive controls such as X-ray tomography. However, the direct use of defects in a simulation would lead to prohibitive computation times. The objective of the study is to analyze the influence of pores on the ductile fracture of welded parts, and to propose a method to take into account the tomography images in a simplified way so as to predict efficiently and precisely the resistance in ductile fracture. The influence on ductile fracture is studied by micromechanical simulations on elastoplastic cells containing a random distribution of pores, allowing to represent defect interaction. The study focuses on the detection of fracture at the cell scale either by coalescence or localization, the influence of the loading orientation and the dispersion for different void populations. From simulations on random microstructures, the dependence of the localization strain on the loading conditions can be represented by a metamodel obtained by kriging. A multi-fidelity approach is used to combine results from unit and random cells. Finally, ductile fracture is studied experimentally by means of tests observed by synchrotron tomography, allowing to follow the evolution of defects. The experimental results are compared to the simulation, both at the level of macroscopic behavior, and at the local level of the deformation of defects.

 

Date de soutenance : lundi 19 septembre 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines Paris 60, boulevard Saint-Michel 75272 Paris cedex 06 – Salle L224
Directeur de thèse : Samuel FOREST
Codirecteur : Pierre KERFRIDEN
Co-encadrant : Franck N'GUYEN

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Influence du micro-alliage sur la population inclusionnaire, le comportement élastoplastique et la résistance à la rupture ductile d'aciers martensitiques

 

Résumé de la thèse en français

La présente étude s'intéresse à l'optimisation de la composition chimique, de la microstructure, ainsi qu'au contrôle d'inclusions grossières de type Ti(C,N), sur des aciers martensitiques à haute résistance pour des applications automobiles. Afin de faire varier la résistance mécanique et la propreté inclusionnaire, plusieurs aciers ont été élaborés en faisant varier les teneurs en carbone et en titane, puis traités thermiquement dans le but d'obtenir différentes tailles de grains et répartitions spatiales des carbures de fer. Il a été montré que la composition chimique (et principalement la teneur en carbone) est le paramètre de premier ordre influençant la résistance mécanique ainsi que la ductilité locale à rupture. La diminution de la taille de grain austénitique induit une augmentation de la limite d'élasticité, de la résistance à l'amorçage de fissure, ainsi que, dans une moindre mesure, de la résistance mécanique. Une température de revenu optimale a été déterminée, permettant une augmentation de la ductilité locale à rupture en n'engendrant qu'une faible diminution de la résistance mécanique, grâce à une distribution spatiale homogène des carbures de fer. Une analyse thermodynamique a montré que l'augmentation de la teneur en carbone induit une sursaturation en titane dans le liquide inter-dendritique au front de solidification. Celle-ci dépend de la phase en présence donc de la composition chimique de l'alliage, favorisant la formation d'inclusions de type Ti(C,N) lors d'une solidification en austénite. L'augmentation de la teneur en titane au premier ordre, et en carbone au second ordre, augmente la densité spatiale d'inclusions. L'ajout de titane induit également un affinement des grains austénitiques, et ainsi des microconstituants de la martensite, bénéfique sur la résistance à l'amorçage de la rupture. Il existe donc une compétition entre l'effet délétère des inclusions et l'effet favorable de l'affinement de la microstructure. L'anisotropie de la résistance à l'amorçage de fissure en pliage augmente avec la fraction surfacique d'inclusions, via les alignements de Ti(C,N) dus au laminage. Les essais de traction interrompus avant rupture sur éprouvettes entaillées ont permis d'observer le développement de l'endommagement. L'analyse plus fine de cette anisotropie a été réalisée grâce à des calculs sur cellule élémentaire. Pour ce faire, les modules d'Young de ces inclusions ont été déterminés via des essais de nano-indentation.

Résumé de la thèse en anglais

The present study focuses on the optimization of the chemical composition, of the microstructure, and of the control of coarse Ti(C,N) inclusions, on high strength martensitic steels for automotive applications. In order to vary the mechanical strength and inclusion cleanliness, laboratory steels were cast with various carbon and titanium contents, then heat treated to obtain different grain sizes and spatial distributions of iron carbides. From the obtained results, the chemical composition (mainly, the carbon content) is the first-order parameter influencing the mechanical strength as well as the local ductility at failure. Refining the parent austenite grains leads to an increase in yield strength, in the resistance to crack initiation and, to a lesser extent, in the ultimate tensile strength. An optimum temperature has been found, to increase the local ductility at fracture with only a small decrease in ultimate tensile strength. A thermodynamic analysis showed that the increase in the carbon content induces a titanium supersaturation in the inter-dendritic liquid at the solidification front. This depends on the solid phase at the interface, and thus on the chemical composition of the alloy, favouring the formation of Ti(C,N) inclusions during solidification into austenite. Increasing the titanium content in the first order, and carbon in the second order, increases the spatial density of inclusions. The addition of titanium also induces a refinement of parent austenite grains, and thus of the martensite microconstituents, beneficial on the resistance to fracture initiation. There is therefore a competition between the deleterious effect of the inclusions and the favourable effect of the refinement of the microstructure. The anisotropy in fracture initiation in bending is accentuated with the increase in the area fraction of inclusions, via the Ti(C,N) alignments due to rolling. The development damage was observed in tensile tests interrupted before failure on notched specimens. A more detailed analysis of this anisotropy was carried out using unit cell calculations. For this purpose, the Young's moduli of these inclusions were determined via nano-indentation tests.

 

Date de soutenance : mercredi 20 avril 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – V106A
Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES
Co-encadrant : Vladimir ESIN
Co-encadrant : Farida AZZOUZ

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Étude d'un alliage de titane β "transformable par déformation" : lien entre propriétés mécaniques, microstructures de déformation et mécanismes de rupture

Résumé de la thèse en français

Afin de pallier la ductilité et le taux d'écrouissage limités des alliages de titane, une nouvelle famille a été développée : les alliages de titane β transformables par déformation. Leurs mécanismes de déformation mettent en jeu la plasticité induite par transformation de phase (effet TRIP) et par maclage (effet TWIP), et sont largement étudiés depuis une dizaine d'années. Au contraire, la compréhension des mécanismes de rupture de ces alliages est faiblement documentée alors qu'elle reste essentielle afin de gagner en maturité dans leur développement. Ce projet avait pour but d'étudier en détail le comportement mécanique sous sollicitations variées d'un alliage ? TWIP : Ti-8,5Cr-1,5Sn. Dans un premier temps, une méthodologie d'étude systématique de cette famille d'alliages a été mise au point. Nous avons statué sur les conditions de traitement thermique (épaisseur de trempe) et de réalisation des essais (géométrie d'éprouvette, type de chargement) et sélectionné les essais les plus pertinents pour une étude complète du comportement mécanique d'un alliage TRIP/TWIP. Cette méthodologie a ensuite été validée sur un alliage Ti-8,5Cr-1,5Sn tout d'abord à température ambiante, puis à température négative. Le comportement mécanique a été évalué dans une large gamme de conditions : traction uniaxiale, traction sur éprouvette entaillée, résilience, ténacité. Les contributions respectives de l'amorçage et de la propagation de fissure ont notamment été déterminées. Une corrélation, multi-échelles (optique, MEB, MET), a permis de mettre en évidence une rupture par localisation de la déformation, sans endommagement, fortement corrélée aux mécanismes de déformation plastique et indépendante des variations de vitesse de sollicitation et de triaxialité des contraintes. A température négative, l'absence de transition ductile-fragile a été mise en évidence sur les mécanismes de rupture, tout comme la conservation de la phénoménologie observée à l'ambiante (pas d'effet TRIP déclenché). La rupture, alors à basse énergie, met toujours en jeu un mécanisme ductile à cupules. La rupture reste régie par la localisation de la déformation, qui se déclenche d'autant plus tôt que la température d'essai est basse. Cette étude nouvelle ouvre donc un axe prometteur sur la compréhension de la rupture des alliages de la même famille

Résumé de la thèse en anglais

In order to tackle the lack of ductility and work-hardening of titanium alloys, a new family is being developed, namely, strain-transformable  β titanium alloys. The deformation mechanisms involve transformation induced plasticity (TRIP effect) and twinning induced plasticity (TWIP effect). They have been widely studied over the last ten years. On the other hand, the understanding of fracture mechanisms of TRIP/TWIP titanium alloys still remains poorly documented although this is a key to improve the development of these alloys. Therefore, this project is an in-depth study of the mechanical behavior of a Ti-8.5Cr-1.5Sn ? TWIP alloy, under various loading conditions. First, a methodology for the systematic study of this family of alloys has been developed. We selected the most relevant tests for a complete study of the mechanical behavior of a TRIP/TWIP alloy by investigating heat treatment conditions (quenching thickness) and mechanical testing conditions (specimen geometry, loading mode). Then, this methodology was validated on the Ti-8.5Cr-1.5Sn alloy first at room temperature, then at subzero temperatures. The mechanical behavior was evaluated under a wide range of conditions giving access to tensile strength, impact toughness, and fracture toughness. The respective contributions of crack initiation and crack propagation were determined. A multi-scale correlation (optical, SEM, TEM) highlighted fracture by localized plastic flow, without damage development, strongly correlated with the plastic deformation mechanisms and independent of variations in strain rate and stress triaxiality. At subzero temperatures, the absence of ductile-to-brittle transition was demonstrated on the failure mechanisms, as was the preservation of the phenomenology observed at room temperature (no triggered TRIP effect). Low energy fracture encountered at lower temperatures still involved a ductile dimple mechanism. It remained governed by localized plastic flow, which is triggered all the earlier the lower the test temperature. This new study opens up a promising avenue for understanding the fracture of alloys of the same family.

Titre anglais : Study of a "strain-transformable" β titanium alloy : link between mechanical properties, deformation microstructures and fracture mechanisms
Date de soutenance : vendredi 13 novembre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : – En visioconférence intégrale
Directeurs de thèse : Anne-Françoise GOURGUES, Frédéric PRIMA

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Localisation de la déformation et rupture ductile dans les monocristaux : application aux aciers austénitiques inoxydables irrad

Résumé de la thèse en français

Pour leurs excellentes propriétés mécaniques et d'oxydation, les aciers austénitiques inoxydables sont largement utilisés dans l'industrie nucléaire, en particulier pour les structures internes de coeur des réacteurs. Toutefois, les niveaux d'irradiation neutronique importants auxquels ces matériaux sont exposés peuvent nuire à leurs propriétés mécaniques. Une forte baisse de la ténacité est en effet observée à mesure que la dose d'irradiation augmente. Selon les conditions d'irradiation (température, dose), on distingue principalement deux types de défauts induits par l'irradiation pouvant être responsables de ce comportement : des boucles de dislocations de Frank à basse température d'irradiation (?300 ?C) et des nano-cavités à haute température (?600 ?C). Comme ces défauts existent et agissent à des échelles inférieures à la taille de grain, leurs effets peuvent être étudiés à l'échelle du monocristal. Tout d'abord, ce travail vise à obtenir des données expérimentales sur le comportement mécanique des monocristaux d'acier inoxydable austénitique. Ensuite, la modélisation de la localisation de la déformation plastique induite par l'adoucissement survenant dans les aciers irradiés est étudiée. Les limites d'un modèle de plasticité cristalline à gradient sont exposées sur la base de prédiction analytiques de l'apparition de bandes de localisation. Une théorie étendue tenant compte de l'évolution de la longueur interne est proposée. Une attention particulière est alors accordée à l'efficacité numérique de la mise en oeuvre par éléments finis du modèle de plasticité à gradient susmentionné. Des formulations basées sur l'approche micromorphe ou sur une approche à multiplicateur de Lagrange sont décrites et comparées à l'aide de simulations par éléments finis. Enfin, un modèle de rupture ductile de monocristaux poreux est proposé – incluant à la fois la croissance et la coalescence des cavités – afin d'étudier l'impact des nano-cavités induites par irradiation sur le comportement mécanique des aciers austénitiques inoxydables. Le modèle est mis en place dans un formalisme à gradient afin de régulariser la rupture ductile.

Résumé de la thèse en anglais

For their excellent mechanical and oxidation properties, austenitic stainless steels are widely used in the nuclear industry, in particular for structural applications inside the core of reactors. However the substantial neutron irradiation levels these materials can be exposed to can detrimentally affect their mechanical properties. A sharp drop of toughness is indeed observed as the irradiation dose increases. Depending on the irradiation conditions (temperature, dose), mainly two kinds of radiation-induced defects can be responsible for this behaviour: dislocation Frank loops at low irradiation temperature (?300 ?C) and nano-voids at higher temperature (?600 ?C). Since these defects exist and act at the subgrain level, it motivates to study their effects at the single crystal scale. First of all, this work aims at obtaining experimental data on the mechanical behaviour of austenitic stainless steel single crystals. Then, modeling of softening induced strain localization phenomena, as those taking place in irradiated materials, is investigated. The limitations of a reduced strain gradient crystal plasticity model regarding shear bands predictions are exposed on the grounds of analytical solutions and an enhanced theory accounting for internal length evolution is proposed. Thereupon attention is given to the numerical efficiency of the finite element implementation of the aforementionned strain gradient plasticity model. Micromorphic and Lagrange multiplier based formulations of the original theory are described and compared upon finite element simulations. Eventually, one of a kind ductile fracture model of porous single crystals is proposed – including both void growth and void coalescence – in order to investigate impact of radiation-induced nano-voids on the mechanical behavior of irradiated austenitic stainless steels. The model is set up in a strain gradient framework in order to regularize ductile fracture.

Titre anglais : strain localization and ductile fracture in single crystals: application to irradiated austenitic stainless steels
Date de soutenance : lundi 19 octobre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75272, Paris – V106A
Directeurs de thèse : Samuel FOREST, Benoît TANGUY

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Modélisation numérique de l'amorçage et la propagation des fissures dans les tôles métalliques ductiles pour les simulations de crash.

Résumé de la thèse en français

Lors d’un crash automobile, les pièces faites de tôles metalliques sont sujettes à rupture. La rupture des matériaux ductiles n’est actuellement pas prédite de manière fiable dans un contexte industriel, entraînant des coûts et délais supplémentaires sur la conception. Cette problématique est alors abordée dans cette thèse CIFRE du Groupe PSA menée en collaboration avec l’Onera et le Centre des Matériaux. L’objectif de ces travaux est de développer et d’implanter une stratégie numérique fiable de prédiction de fissure par la méthode des Éléments Finis (EF) dans les calculs de crash automobile. Une première partie de ce travail consiste en la caractérisation puis la modélisation du comportement jusqu’à l’amorçage d’un matériau ductile représentatif: les tôles d’acier DP450. Pour ce faire, des essais sont réalisés sur une large gamme de vitesses de chargement, de triaxialités, et à différentes températures. `{A} partir des résultats obtenus, un modèle numérique de comportement est établi en tenant compte des différents phénomènes observés influençant la fissuration: la plasticité, les effets de vitesse et l’endommagement. Le modèle ainsi défini permet de tenir compte de la plupart des phénomènes observés. Cependant, le recours aux modèles adoucissants pour la modélisation de l’endommagement et des effets thermiques à haute vitesse entraîne une dépendance pathologique des résultats au maillage utilisé (taille, orientation). Ce problème est résolu par l’implantation d’une méthode de régularisation non-locale adaptée aux calculs en dynamique rapide. Une variable non-locale est alors calculée à travers l’enrichissement d’éléments finis (solides et coques). Celle-ci est traitée comme un nouveau degré de liberté, facilitant ainsi l’échange de l’information entre les éléments tout en conservant la paraléllisation du code. Cette variable est ensuite introduite dans les équations constitutives permettant par la suite d’obtenir l’indépendance des résultats au maillage. La validation de l’approche proposée est finalement réalisée grâce à la confrontation avec des résultats expérimentaux.

Résumé de la thèse en anglais

In the event of a car crash, parts made of metal sheets are subjected to failure. Failure of ductile materials is currently not reliably predicted in an industrial context, involving additional costs and delays in the design process. This issue is then addressed in this Ph.D thesis work of the PSA Group carried out in collaboration with Onera and the Centre des Matériaux. The aim of this work is to develop and implement a reliable numerical strategy for crack prediction using the Finite Element Method (FE) in automotive crash simulations. A first part of this work consists in characterizing and then modelling the plastic and fracture behavior of a representative ductile material: the DP450 steel sheets. To do so, tests are performed over a wide range of loading rates, stress triaxialities, and at different temperatures. From the obtained results, a numerical constitutive model is built by taking into account the different observed phenomena influencing crack initiation and propagation: plasticity, strain-rate effects and damage. The constitutive model thus enables to take into account most of the observed phenomena. However, the use of softening models for modelling damage and thermal effects at high loading rate leads to a pathological dependence of the results on the mesh size and the mesh orientation. This problem is solved by the implementation of a non-local regularization method adapted to dynamic explicit computations. A non-local variable is then computed through the enrichment of finite elements (continuum and shell). It is therefore treated as a new degree of freedom, which facilitates the exchange of data between the elements while preserving the parallelization of the code. This variable is then introduced into the constitutive equations, allowing to obtain mesh independent results. The validation of the proposed approach is finally realized through the simulation of experimental results.

Titre anglais : Numerical modelling of crack initiation and propagation in ductile metallic sheets for crash simulations.
Date de soutenance : mercredi 11 décembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech, 60 Boulevard Saint-Michel 75006 Paris – CC) L109
Directeurs de thèse : Jacques BESSON, Sylvia FELD-PAYET

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