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Le 21 avril 2022

Soutenance de thèse de Chiraz BELHADJ

Ductilité et ténacité des aciers : utilisation de mini-éprouvettes pour caractériser les matériaux

Résumé de la thèse en français

Le dimensionnement des structures nécessite une compréhension des propriétés en propagation de fissure des matériaux employés. Pour ce faire, on utilise principalement des essais mécaniques normalisés sur des éprouvettes fissurées de type CT ou SENT. Pour être considérés valides selon les normes, ces essais doivent être réalisés sur des éprouvettes suffisamment grandes par rapport à la taille de la zone d'élaboration de la rupture. Ces dimensions sont de l'ordre de quelques centimètres mais elles sont d'autant plus grandes que le matériau est plus tenace. Cependant, l'utilisation des éprouvettes de petite taille (de dimensions de quelques millimètres) est incontournable dans plusieurs cas: (i) éprouvettes prélevées in situ afin de faire contrôler les structures en service ou lors de leur réception, (ii) lors de la mise au point de nouveaux matériaux en quantité limitée, (iii) lorsque la structure ne permet pas d'extraire des éprouvettes suivant les recommandations des normes ( e.g. structure mince). Dans tous ces cas, il s'avère être difficile voire impossible de réaliser des essais «valides» selon les normes. Une approche qui permettrait de résoudre ce problème serait d'établir des procédures permettant l'accès aux propriétés macroscopiques à partir d'essais sur mini-éprouvettes. L'objectif principal de la thèse est de développer des protocoles d'essais sur mini–éprouvettes. L'étude est réalisée sur un acier de gazoduc «vintage» de grade X52. On réalise tout d'abord une campagne d'essais sur des éprouvettes de taille usuelle. Des essais sur éprouvettes de traction axisymétriques lisses et entaillées prélevées dans la direction de laminage (L) et dans le sens transverse (T) sont réalisés. Ces essais sont asservis avec un extensomètre mécanique. Un système de caméras permet de suivre la réduction de la section minimale. Pour la caractérisation de la ténacité, on réalise des essais sur des éprouvettes de fissuration de type CT et SENT en appliquant la méthode de la complaisance pour évaluer l'avancée de fissure (norme ASTM E1820). Il s'avère toutefois être impossible de prélever ces éprouvettes pour les solliciter selon le sens T du fait de la courbure du pipe. À l'échelle des mini–éprouvettes, on reproduit la même démarche avec l'avantage de pouvoir prélever des éprouvettes de fissuration dans la direction T. Un montage spécifique est conçu pour la pré-fissuration et l'essai de ténacité lui-même. La taille réduite des éprouvettes ne permet pas de mesurer l'ouverture de la fissure à la position préconisée par la norme. Pour dépouiller les essais miniaturisés, il est alors nécessaire de modifier la procédure de la norme. Des calculs par éléments finis ont alors été employés pour calculer les différents facteurs géométriques permettant de déterminer les courbes J — ∆a . En outre, certains essais ont été réalisés in situ à l'aide de la tomographie synchrotron à rayons X pour mesurer la déformation des échantillons, la progression des fissures et l'évolution de l'endommagement sur mini-éprouvettes de traction (ST et NT) et mini-éprouvettes SENT. L'étude sur les éprouvettes standard montre une anisotropie plastique notamment de déformation dans les différentes directions de la structure. Il existe une forte anisotropie de rupture due à la présence d'inclusions de type MnS allongées selon la direction de laminage. On aboutit aux mêmes conclusions à l'échelle réduite. On note également un effet d'échelle : les mini–éprouvettes sont légèrement plus ductiles ; dans le sens L on note la disparition du faciès en cup–cone lorsque la taille diminue. Les données tomographiques donnent de précieuses informations sur l'évolution de la plasticité étendue avec une mesure directe de l'avancée de fissure. L'emploi des mini–éprouvettes de fissuration permet de montrer une forte anisotropie de rupture. Les éprouvettes chargées selon le sens L présentent une meilleure résistance à la fissuration. On montre également que l'emploi de mini–éprouvettes SENT reste difficile. Sur éprouvettes DCT, on obtient des résultats très reproductibles. On met également en évidence un effet de taille marqué : les courbes J — ∆a sur mini–éprouvettes sont systématiquement situées en dessous de celles des CT standard.

Résumé de la thèse en anglais

The design of structures requires an understanding of the crack propagation properties of the materials used. For this purpose, standardized mechanical tests on cracked specimens of the CT or SENT type are mainly utilized. To be considered as valid according to the standards, these tests must be carried out on sufficiently large specimens in relation to the size of the process zone. These dimensions are no more than few centimetres. However, these dimensions get larger as the material is tougher. Nevertheless, the use of small size specimens (with dimensions of a few millimeters) is unavoidable in quite several cases: (i) specimens taken in situ in order to check the functionning structure or when received, (ii) during the development of new materials in limited quantities, (iii) when the structure does not allow specimens to be extracted according to the recommendations of the standards ( e.g. structure mince). In all these cases, it is difficult or even impossible to perform "valid" tests according to the standards. One approach that would solve this problem would be to establish procedures that allow access to macroscopic properties from tests on sub-size specimens. The main objective of the thesis is to develop protocols on sub–size specimens. The study is carried out on a pipeline steel «vintage» of grade X52. First, a testing campaign on standard size specimens is performed. Tests on axisymmetric tensile and notched tensile specimens taken in the rolling direction (L) and in the transverse direction (T) are performed. These tests are controlled with an extensometer. A system of cameras allows us to monit the reduction of the minimum section. As for the characterization of the toughness, tests are carried out on CT and SENT type cracking specimens by applying the compliance method to evaluate the crack mouth opening displacement (ASTM E1820 standard). However, it is not possible to sample these specimens along T-direction due to the curvature of the pipe. At the sub-size specimen scale, we reproduce the same approach with the advantage of being able to sample CT and SENT specimens in the T direction. A specific setup is designed for the pre-cracking and the toughness test itself. The size of the specimens does not allow to measure the opening of the crack at the position recommended by the standard. To process the results of those tests, it is then necessary to modify the procedure of the standard. Finite element calculations were then used to calculate the different geometrical factors allowing to determine the determine the J — ∆a curves. In addition, some tests were performed in situ using synchrotron X-ray tomography to measure the deformation of the specimens,the progression of cracks and the evolution of the damage on mini-tensile specimens (ST and NT) and SENT mini-tests. The study on standard specimens shows a plastic anisotropy, especially strain anisotropy in the different directions of the structure. There is a strong anisotropy of rupture due to the presence of inclusions of MnS type elongated according to the rolling direction. The same conclusions are reached at the reduced scale. We also notice a scale effect : the sub–size specimens are slightly more ductile ; in the L direction we notice the disappearance of the cup-cone from the fracture surfaces as the size decreases. The tomographic data gives valuable information on the evolution of the extended plasticity with a direct measurement of the crack advance. The use of mini-cracking specimens allows us to show a strong anisotropy of failure. The specimens loaded along the L direction show a better resistance to cracking. It is also shown that the use of sub–size SENT specimens remains difficult. On DCT specimens, very reproducible results are obtained. We also show a conspicuous size effect : the J — ∆a curves on mini-test specimens are systematically located below those of the standard CT.

Date de soutenance : jeudi 21 avril 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines de Paris - Université PSL 60 Bd Saint-Michel 75006 Paris - L226
Directeur de thèse : Yazid MADI
Codirecteur : Jacques BESSON

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