Modélisation de l essai Charpy : application à la transition ductile fragile d un acier bainitique 16MND5. B. Tanguy, J. Besson, A.

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1 Modélisation de l essai Charpy : application à la transition ductile fragile d un acier bainitique 16MND5 B. Tanguy, J. Besson, A. Pineau Centre des Matériaux, École des Mines de Paris, UMR CNRS 7633, BP 87 Evry cedex Journée Zébulon, 3 Juin /40

2 L essai Charpy depuis 1901 Un essai simple! Mesure d une énergie de "rupture" Essai comparatif [Charpy,1904] Journée Zébulon, 3 Juin 2004 Intoduction 2/40

3 L essai Charpy instrumenté Emploi de jauges de déformation pour mesurer la force agissant sur le marteau Intégration de la loi fondamentale de la dynamique pour obtenir le déplacement Information plus riche Journée Zébulon, 3 Juin 2004 Intoduction 3/40

4 Pourquoi modéliser l essai Charpy? [1] Le programme de surveillance des cuves des réacteurs nucléaires Eprouvettes Charpy suivi du vieillissement Vieillissement en service dû à l irradiation Journée Zébulon, 3 Juin 2004 Intoduction 4/40

5 Pourquoi modéliser l essai Charpy? [2] L essai Charpy fournit une énergie de rupture (CVN [J/cm ]) Le dimensionnement est effectué à partir d une analyse en ténacité Passage : résilience Utiliser des corrélations empiriques : ténacité CVN [Barsom & Rolfe] Utiliser la simulation numérique pour effectuer le passage Essai Charpy instrumenté ajustement des paramètres paramètres ajustés simulation de la ténacité Journée Zébulon, 3 Juin 2004 Intoduction 5/40

6 Que cherche t on à modéliser? USE CVN (J) 56 J Transition forte dispersion! Ductile base Fragile TK7 2 (7 daj/cm ) mais aussi : avancée de fissure, courbe force déplacement,... T Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 6/40

7 L essai Charpy : un essai complexe vitesse d impact m.s viscoplasticité échauffement adiabatique effets d inertie rupture fragile 3D/Gr. Déf. contact/frottement déchirure ductile transition ductile fragile Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 7/40

8 Comportement viscoplastique Effet de vitesse Même énergie mais comportement différent Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 8/40

9 Echauffement Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 9/40

10 Rupture ductile/rupture fragile Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 10/40

11 Un problème 3D Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 11/40

12 Un problème dymanique? Effets inertiels négligeables [Rossoll, Tahar] Mais effet de la vitesse de déformation sur le comportement Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 12/40

13 Un comportement ductile déterministe quasi statique dynamique Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 13/40

14 Un comportement fragile aléatoire Journée Zébulon, 3 Juin 2004 un essai complexe 14/40

15 Modéliser l essai Charpy Les ingrédients : un modèle : comportement élasto visco plastique, échauffement un modèle : rupture ductile un modèle : rupture fragile un modèle : transition ductile fragile Les moyens : Des essais mécaniques Des observations Des moyens de simulations (par éléments finis) Matériau employé : acier 16MND5 des cuves REP (structure bainitique) C S P Si Mn Ni Cr Mo Cu Co V Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 15/40

16 La contrainte d écoulement, Domaine de validité : Comportement élasto visco plastique (1/2) s C, est exprimée en fonction de :, and. Echauffement adiabatique essais de traction barres de Hopkinson (MPa) Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 16/40

17 Forme employée Comportement élasto visco plastique (2/2) Ecrouissage isotrope,..., Viscoplasticité avec (1) friction de Peierls, (2) traînage des phonons Les paramètres (,, ) dépendent de la température Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 17/40

18 Rupture ductile : le modèle Modèle décrivant l endommagement des matériaux ductiles (germination, croissance, coalescence) Modèle de Rousselier modifié (surface seuil) : porosité (variable scalaire d endommagement) Loi d écoulement (normalité) : Evolution de l endommagement Paramètres ajustables :,, et (taille caractéristique) Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 18/40

19 Rupture ductile : surface d écoulement cisaillement variation de volume Rousselier Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 19/40

20 Rupture ductile : germination MnS : décohésion facile MnS sphériques (Franklin & analyse d image) Carbures (Fe C) 1 mm 10 La rupture des carbures débutent pour carbures sont rompus) (on suppose que pour tous les Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 20/40

21 Rupture ductile : croissance et coalescence Identification C sur les éprouvettes de tractions entaillées à,, taille de maille Contrôle de l essai en vitesse de variation du diamètre : propagation stable Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 21/40

22 Modèle de Beremin : Rupture fragile : le modèle Problèmes dans le cas d une propagation ductile de la fissure : déchargement Adapter le modèle pour traiter les cas où, de le température. Modèle adapté : ( contrainte de clivage), dépendent " " " " #!! Ajustement du modèle à basse température sur barreaux entaillés avec constants., et Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 22/40

23 Rupture fragile : l ajustement mm, MPa,, Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 23/40

24 Transition : le modèle Pas de modèle! Simulation uniquement identification de la rupture fragile TRANSITION identification de la rupture ductile extrapolation extrapolation Le comportement élasto visco plastique a été identifié sur toute la gamme de température Les paramètres des deux modèles de rupture sont supposés être indépendants de la température Journée Zébulon, 3 Juin 2004 modéliser l essai Charpy 24/40

25 Simuler l essai Charpy Calculs éléments finis Simulation de la déchirure ductile Simulation de la transition Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simuler l essai Charpy 25/40

26 Calculs par éléments finis enclume du maillage entaille 4054 éléments, degrés de liberté éléments C3D20R marteau Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simuler l essai Charpy 26/40

27 Eléments dans la zone de propagation plan de la fissure direction de propagation Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simuler l essai Charpy 27/40

28 Simulation de la déchirure ductile : Courbes forces déplacement C 20 C F (kn) F (kn) déplacement (mm) déplacement (mm) Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simuler l essai Charpy 28/40

29 (MPa) mm, CVN=97 J, mm, Simulation de la déchirure ductile : avancée de fissure et contraintes mm, CVN=157 J, mm, Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simuler l essai Charpy 29/40

30 Cte Cte Simulation de la courbe de transition ductile fragile [ Cte] dynamic quasi static C C CVN (J) % 50% 10% CVN (J) % 10% 0 0 ( C ) ( C ) prédiction jusqu à C Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simuler l essai Charpy 30/40

31 Problème dans la fin de la transition Ce problème a été rencontré par d autres équipes de recherche (ECP [thèse P. Haushild], IWM Freiburg) Pas de sites d amorçage préférentiels en fonction de la température Pour résoudre le problème : utiliser mm (MPa) ( C ) Ajustement sur Charpy dynamique Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simuler l essai Charpy 31/40

32 Simulation de la courbe de transition ductile fragile [ ] dynamic C 90% USE 200 quasi static C CVN (J) % CVN (J) % USE ( C ) ( C ) Ajustement sur Charpy dynamique. Fonctionne sur Charpy statique USE bien modélisée Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simuler l essai Charpy 32/40

33 " " Peut-on simplifier? Déformation plane : sipetit Pas de contact : sipetit Pas de déchirure ductile : sipetit Isotherme : sipetit Plasticité uniquement : modélisation de l essai Charpy seul Inertie Diffusion de la chaleur : Un modèle plus comple(t,xe)? m, ms Journée Zébulon, 3 Juin 2004 simplifier? 33/40

34 Utiliser le modèle pour simuler l effet de l irradiation USE USE Transition Energy (J) 56 J forte dispersion! TK7 Ductile base Fragile irradié L irradiation induit une augmentation de TK7 2 (7 daj/cm ) et T Journée Zébulon, 3 Juin 2004 exploiter le modèle 34/40

35 , TK7, USE et Corrélations entre Brillaud Hedin EdF (GdL) US Steel TK7 ( C ) (MPa) Journée Zébulon, 3 Juin 2004 exploiter le modèle 35/40

36 Calculs avec MPa ( Hypothèse I : TK7=52 C ) unirr. USE=19J irr(1) CVN (J) TK7=20 C Temperature ( C ) Les contraintes sont plus élevées : la rupture fragile est favorisée (effet sous estimé) USE augmente Journée Zébulon, 3 Juin 2004 exploiter le modèle 36/40

37 Hypothèse II : L irridation modifie les propriétés de plasticité et de rupture fragile Ajustement de 4200 et mm (MPa) C ( C ) Journée Zébulon, 3 Juin 2004 exploiter le modèle 37/40

38 Hypothèse II : résultats (solid) (dashed) USE CVN (J) TK7=56 C unirr. irr(1) 50 0 Temperature ( USE diminue car il y a de la rupture fragile résiduelle à l ambiante C ) Journée Zébulon, 3 Juin 2004 exploiter le modèle 38/40

39 Ajustement de ( C ) (MPa) 120 ( C) Cte (MPa) Journée Zébulon, 3 Juin 2004 exploiter le modèle 39/40

40 Conclusions L essai Charpy est un essai complexe où interviennent de nombreux phénomènes physiques La modélisation complète de l essai demande de représenter tous les phénomènes (ici on a négligé : l inertie, le diffusion de la température) Application aux matériaux des cuves de REP : autres matériaux L outil numérique peut être utilisé pour des études de sensibilité : effet de vitesse, effet de taille de l éprouvette, effet du rayon de l impacteur L outil numérique peut être utilisé pour analyser les résultats d essais Charpy (exemple matériaux irradiés) pour en extraire des données matériaux pertinentes : comportement, rupture fragile, rupture ductile Journée Zébulon, 3 Juin 2004 conclusions 40/40