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Fissuration en fatigue thermique des aciers inoxydables austénitiques

type de publication      habilitation thesis
date de publication 21-05-2001
auteur(s) Fissolo Antoine
jury D. François (président), M. Naît-Abdelaziz, L. Rémy et G. Degallaix (rapporteurs); S. Degallaix; C. Amzallag et G. Martin
  
résumé Ce mémoire porte sur la fissuration en fatigue thermique des aciers inoxydables austénitiques de type 316 LN et 304 L. Cet endommagement est observé pour certains composants des réacteurs à neutrons rapides (RNR) et des réacteurs à eau pressurisée (REP). La démarche a consisté à reproduire sur éprouvettes de laboratoire les endommagements observés sur site, afin de mieux appréhender les paramètres essentiels. Ainsi, le matériau est testé sous forme d'une éprouvette "quasi-structure" présentant des gradients de température. L'endommagement résulte de dilatations empêchées : deux dispositifs de fatigue thermique ont été développés. Sur la machine SPLASH, l'éprouvette est chauffée en continu par effet Joule avec deux faces latérales refroidies périodiquement par injection d'eau pulvérisée. Cette machine permet de détecter l'amorçage (correspondant ici à une taille de fissure de 50 à 150 mm en surface) et de reproduire des réseaux de faïençage. Sur la machine CYTHIA, l'éprouvette est un tube épais et le chargement thermique résulte d'un chauffage périodique par induction haute fréquence (1 MHz) en paroi externe et d'un refroidissement continu par circulation d'eau à l'intérieur. Ce dispositif est principalement dédié à la propagation de fissures isolées. A cette fin, une entaille circulaire est usinée préalablement dans la partie médiane de l'éprouvette afin de favoriser un amorçage unique. La propagation est mesurée post - mortem à partir de l'analyse des faciès de rupture. Les essais montrent que pour nos conditions (280 ≤ Tmax ≤ 550 °C et 100 ≤ DT ≤ 300 °C), les approches traditionnelles fondées sur une équivalence entre chargement thermique et chargement mécanique donnent satisfaction. Elles sont cependant mal adaptées lorsque des facteurs aggravants interviennent (états de surface, contraintes résiduelles…). En outre, les observations en microscopie électronique à balayage montrent que l'endommagement commence bien plus tôt que l'amorçage "technologique" défini à partir des essais SPLASH. Ainsi, l'étude des stades précurseurs de l'endommagement fait l'objet d'un nouvel axe de recherche. L'application d'une modélisation fondée sur le glissement des dislocations discrètes permet de reproduire les premiers stades de déformation d'une façon satisfaisante. Les calculs ont été réalisés sur 3 cycles à l'aide du code MICROMEGAS. Les chargements sont préalablement calculés à l'aide du code CASTEM. Afin de poursuivre cette action, on a entrepris la fabrication d'un dispositif permettant de réaliser des essais de fatigue thermique sur des pastilles millimétriques. Ces pastilles pourront être indentées ou rayées afin de reproduire les états de surface des composants industriels. Une approche mécanique de la rupture semble suffisante pour estimer la propagation d'une fissure "longue" et isolée. Le calcul d'un facteur d'intensité de contrainte effectif tient compte de la plasticité. En outre, on considère que la fissure reste ouverte pendant 60 % de la durée du chargement. L'analyse des caractéristiques morphologiques des réseaux de faïençage thermique réalisée en surface, sur coupes transversales et après "pelage" (abrasion contrôlée couche par couche) souligne l'importance de l'interaction entre les fissures. La propagation en profondeur est traitée avec le modèle mis au point pour la fissure isolée. La mise en place d'un maillage automatique a permis de simuler la propagation simultanée de 10 fissures jusqu'à 35 000 cycles. Deux axes de développement sont actuellement en cours. Le premier porte sur l'aspect propagation d'un réseau de fissuration multiple et stabilité de ce réseau après I'application d'un chargement mécanique additionnel. Le deuxième aspect porte sur une l'amélioration de l'approche concernant l'amorçage.
mots clés Fatigue thermique, acier inoxydable austénitique, acier 316 LN, approche mésoscopique
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